增材制造结构优化设计与工艺仿真 课件 模块1 NX 结构优化设计基础

增材制造结构优化设计与工艺仿真新编21世纪高等职业教育精品教材·装备制造类PART01模块一NX结构优化设计基础PART02模块二NX拓扑优化结构设计工程案例PART03模块三NX点阵晶格结构优化设计工程案例PART04模块四NX运动仿真与优化设计工程案例PART05模块五NX激光粉末床熔融工艺仿真工程案例目录CONTENTSPART01模块一NX结构优化设计基础任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知任务三NX软件高端应用模块基本认知任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知学习目标（1）理解轻量化设计的基本概念与内涵。（2）理解结构优化设计的基本概念与主要方法。（3）理解结构优化设计与轻量化设计的价值意义。（4）能描述这些概念的关联性。一、情境导入2024年的巴黎奥运会上，中国体育健儿在比赛中奋勇拼搏，大放异彩，中国体育代表团在金牌榜位列第一。在为体育健儿欢呼的同时，你是否注意到了与本届奥运会相关的绿色设计，例如图1-1-1所示的纸板床。众所周知，纸板很脆弱，但通过合理的结构设计，纸板床也能承受一个成年人的体重，这充分体现了结构设计的实用性和创新性。如图1-1-2所示的易拉罐的罐壁很薄，但不易变形，叠多层也不倒。这是因为在易拉罐的头部和尾部加了很多加强筋，这也属于结构优化设计。结构优化可以简单理解为，用尽量少的材料，设计出强度尽量高的结构；或者用相同的材料，设计出强度更高的结构。当结构优化做到极致，自然也实现了轻量化。任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知二、明确任务（1）通过查阅资料，明确轻量化的概念和轻量化设计的场景，总结轻量化的途径。（2）通过查阅资料，理解结构优化的概念，总结结构优化设计的方法。（3）以小组为单位制作一份课件，展示结构优化与轻量化的概念、内涵、关系、设计方法。任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知三、知识链接（一）轻量化的概念轻量化设计是一种以减少材料和资源使用为核心的创新方法，旨在降低产品的重量，提高效能，并减少环境负担。这一方法已经在许多领域取得了成功，从汽车制造到建筑设计，都有着广泛的应用。轻量化这一概念始于赛车运动，它的优点不难理解，重量轻了，操控性会更好，汽车发动机输出的驱动力可以大幅提升瞬时速度。随着“绿色环保”理念深入人心，轻量化设计广泛运用到一般汽车行业，可在提高操控性的同时降低油耗。相关数据表明，如果一辆汽车的总重量减轻10%，其燃油效率可提升6%～8%；每减少100kg的整备质量，百公里燃油消耗就能相应减少0.3～0.6L。在面临能源消耗和温室气体排放挑战的今天，轻量化设计不仅为人们提供了应对气候变化的解决方案，更在提升组件性能和延长产品寿命方面发挥了显著作用。汽车和航空航天领域的实践证明，轻量化设计能有效提高燃油效率，提升飞机和电动汽车的性能。同时，这一设计理念也在推动建筑、可再生能源以及电气和电子产品制造领域的创新，通过降低运输和能源成本，采用更为节约的生产方式为各行业带来经济效益和社会效益。任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知（二）实现轻量化的途径1.关键材料的选用轻量化材料是指可以减轻产品自重且提高产品综合性能的材料。目前，在汽车制造领域，轻量化材料主要包括铝合金、镁合金和钛合金。未来，轻量化设计将以铝、镁和钛合金为主，同时引入复合材料，如碳纤维或玻璃纤维增强聚合物。许多研发机构正专注于开发用于航空航天和汽车领域的基于塑料的混合轻质部件。2.结构优化与增材制造技术结合增材制造（3D打印）技术的进步为工程师提供了前所未有的设计自由度。利用增材制造技术，仅花费比传统压铸技术低得多的成本，便可制造出结构极其复杂的零件，还可以轻松实现用空心结构或晶格结构替换实心结构来减轻重量的目标。计算机软件和增材制造技术的结合有助于人们开发更轻的产品。工程师可以通过专业软件确定对减重最有效的区域，从而对一系列组件进行最大程度的拓扑优化。随后，还可以通过数字化3D模型测试轻质部件的性能，从而确定最佳设计方案。3.仿生设计将是轻量化设计的未来仿生学与计算技术（如有限元分析）、增材制造的结合，将推动轻量化设计从宏观到微观的全尺度优化。仿生设计通过模拟自然界生物的结构与功能，为轻量化设计提供了高效、可持续的解决方案。例如，中华鲟骨鳞的覆瓦状结构被用于飞行器防护层，通过多层级柔性设计提升抗冲击性，同时减轻重量。任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知（三）结构优化的概念要实现轻量化，结构优化设计是一个重要途径。结构优化设计的定义是：工程结构在满足约束条件的情况下，按预定目标求出最优方案。传统的结构优化实际上指的是结构分析，其过程大致归纳为：假设—分析—校核—重新设计，比较依赖设计者的经验。现在的结构优化指的是结构综合，其过程大致归纳为：假定—分析—搜索—最优设计。其中，搜索是修改并优化的过程，首先判断设计方案是否达到最优（包括满足各种指定的条件），若不是，则按某种规则进行修改，逐步达到预定的最优指标。（1）结构优化可以提高材料的强度和刚度。结构优化可以在不改变机械设备基本功能的前提下，提高材料的强度和刚度，使其能够承受更大的载荷和力矩。（2）结构优化可以降低材料成本。结构优化可以通过降低零部件的重量和材料使用量来降低成本。（3）结构优化可以提高工作效率。结构优化可以减少机械设备的摩擦和能量损耗，从而提高工作效率，节能降耗。任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知（四）常用的结构优化方法（1）尺寸优化。其属于参数优化范畴，是经典的、应用广泛的结构优化技术，可看作其他优化技术的基础。它可以对结构的各种参数进行优化，如板件厚度、梁杆横截面积、惯性矩、弹性元件的刚度等。（2）形状优化。这是一种对结构的边界或形状进行优化的技术，属于详细设计阶段的技术。形状优化实际是通过单元节点的移动或者将单元变形到一个新的位置，来实现结构形状的改变，从而改善结构振动、强度或刚度性能。不同于尺寸优化技术只改变结构的参数，形状优化可改变结构的原始形状。（3）拓扑优化。这是一种具有革新性的优化技术。拓扑优化的实质是在固定的优化设计空间内，找到满足各种性能条件的最佳材料分布路径，从而得到质量最轻的设计方案。拓扑优化的宗旨就是把最优拓扑布局问题转化为最佳材料分布问题。通过分析机械设备受力情况、工作环境等因素，优化结构形状，使其在满足功能要求的同时重量达到最轻、强度达到最高。在实际设计时，应根据具体情况选择合适的优化方法和技术，以追求更优的机械设计性能。结构优化和轻量化的研究和应用，将为制造业带来新的机遇和挑战。任务一轻量化设计与结构优化设计的概念认知任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知学习目标（1）理解创成式设计的基本概念与内涵。（2）理解拓扑优化的基本概念与主要方法。（3）掌握拓扑优化与创成式设计的关联性及区别。（4）了解创成式设计和拓扑优化的应用场景与案例。一、情境导入如图1-2-1所示为北京2022冬奥会雪车雪橇赛道，赛道全长1975米，垂直落差121米，由16个角度、倾斜度各异的弯道组成，包括非常少见的360度回旋弯。北京冬奥会的雪车、钢架雪车、雪橇三个项目都在这里举行。由于项目专业性强、场地要求严苛，国家雪车雪橇中心被认为是设计难度最高、施工难度最大、施工工艺最复杂的冬奥新建比赛场馆之一。要考虑设计多少个弯道合适，考虑自然山体和人工场地的变化，考虑温度和日照对冰面的影响，考虑比赛的安全性、平衡性和挑战性，等等。面对如此高难度的项目，若采用经验式设计就会面临非常多的困难。创成式设计通过把雪橇的速度、安全性、场地环境等参数输入设计系统，由计算机根据这些边界条件自动生成多种方案，人们则负责对这些方案进行优中选优。同时，不断完善和发展的智能化设计软件与3D打印技术也为人们提供了一条结构优化设计的捷径。在此技术上，创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的灵感，进而创造出具有不寻常的复杂几何结构的作品。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知二、明确任务（1）通过查阅资料，理解创成式设计与拓扑优化的概念与区别。（2）通过查阅资料，了解创成式设计与拓扑优化的应用场景及应用流程。（3）以小组为单位制作一份课件，展示创成式设计与拓扑优化的概念、内涵、关系、设计方法。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知三、知识链接（一）创成式设计的概念创成式设计（GenerativeDesign）是一个人机交互、自我创新的过程，又被称为“生成式设计”或“衍生式设计”。创成式系统会根据设计者的设计意图，生成可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，再将筛选出的设计方案推送给设计者进行最后决策。通俗地讲，创成式设计就是利用设计软件中的算法自动生成艺术品、建筑模型、产品模型的设计方法。创成式设计是一种具有创新性的方法，有助于人们探索各种潜在的解决方案，并针对各种目标优化设计，如减轻重量、提升材料利用率、降低成本和增强性能。随着系统计算能力的增强和算法的进步，创成式设计方法越来越普及，进而拓展了设计的边界，增加了设计的可能性。目前，创成式设计方法已大量应用于机械结构件设计。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知（二）创成式设计工程的主要特点（1）算法优化。创成式设计算法能够分析输入参数，如功能要求、材料属性、制造约束和性能标准，从而提供解决方案。（2）迭代探索。设计师可以快速、高效地探索多种备选方案。创成式设计工具通常会生成多种设计方案，设计师可以根据特定标准对这些方案进行评估。（3）边界探索。创成式设计可通过算法主动突破传统设计约束，拓展创新空间。（4）多学科优化。创成式设计能够实现多学科协同优化（如结构力学、流体动力学、热管理、电磁仿真），在满足不同标准的同时实现高性能目标。（5）“人在环”模式。虽然创成式设计可以自动生成备选方案，但人类设计师在确定设计要求、评估设计方案和优化最终设计方面仍然发挥着至关重要的作用。（6）设计空间探索。创成式设计允许设计师探索整个设计空间，发现采用传统设计方法考虑不到的创新解决方案。（7）参数化建模。创成式设计可以利用参数化建模技术，通过定义和控制设计参数生成备选设计方案。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知（三）拓扑优化的概念拓扑优化（TopologyOptimization）是创成式设计中最常用的技术之一，即根据指定的负载情况、约束条件和性能指标，在指定的区域内对材料分布进行优化，如最小化重量或最大化刚度。拓扑优化是对指定的模型进行分析，根据边界条件进行有限元分析，然后通过对模型变形或增删材料来进行结构优化。（四）创成式设计与拓扑优化的对比和联系拓扑优化技术产生得较早，这使得有些人以为创成式设计就是拓扑优化或程序建模。但实际上，创成式设计是人工智能驱动的流程，利用云计算来探索成千上万种建模可能性，而不是像拓扑优化那样，简单地从原来的设计方案中探索如何减少材料。应该说，创成式设计是一个内涵更深、更宽泛的概念，而拓扑优化可看作创成式设计的一个发展分支。拓扑优化总是基于一个原始模型，但创成式设计不需要这个模型，它是从无到有，在生成过程中，按照设置的“约束”（条件）来创建尽可能多的设计方案。创成式设计并不能从一开始就得出最佳解决方案，而是通过检查目标设定（如重量、材料消耗和成本）之间的权衡关系来优化设计方案，并根据用户的偏好提供多种选择。拓扑优化（左）和创成式设计（右）效果比较如图1-2-2所示，创成式设计与拓扑优化的区别见表1-2-1。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知（五）创成式设计的应用案例在航空航天领域，软件公司欧特克和美国宇航局喷气推进实验室的工程师设计的星际着陆器如图1-2-3所示，其重量远小于美国宇航局此前设计的大多数着陆器。这是金属3D打印、铸造和铣削技术相结合的创成式设计案例。空中客车公司创成式设计的空客A320机舱隔离结构件如图1-2-4所示，其灵感来自自然界生长现象。拓扑优化有助于改进现有设计，以生产更轻的飞机结构，从而降低燃料消耗。例如拓扑优化后的飞机座椅的重量能够减轻54%，这对减轻飞机的整体重量起到很大作用。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知在汽车行业，人们利用拓扑优化技术通过减轻重量来改进现有设计，开发轻质、稳定和安全的车辆。例如，菲亚特克莱斯勒的悬架系统将超过12个不同的部件集成在一个零件中，使其重量较集成前减轻了36%。创成式设计通过创建新的解决方案来优化汽车零部件，有助于提高产品性能并满足环保要求。例如，布加迪创成式设计的Chiron的机翼控制系统优化了装配过程并使原有零件减轻了约50%的重量。如图1-2-5所示为创成式设计的车架，与骨骼结构相似，这便是仿生设计理念的应用。在医疗领域，拓扑优化应用的一个例子是NuVasive公司的定制骨骼植入物，如图1-2-6所示，它使用晶格结构来减轻重量而不会影响稳定性。在骨整合领域创成式设计可以提供更加先进的解决方案，将植入物设计成类似于天然骨骼的结构，这有助于3D打印植入物上新骨组织的生长，从而提高了长期稳定性。创成式设计和拓扑优化越来越多地应用于建筑领域，以改善现有建筑形式并增加承载能力。如图1-2-7所示为世界首座3D打印钢桥，该桥由MX3D公司于2018年建造，被架设在阿姆斯特丹的一条运河上。这座获得了荷兰设计奖的建筑便借助了创成式设计。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知（六）典型应用软件拓扑优化与创成式设计典型应用软件见表1-2-2。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知（六）典型应用软件拓扑优化与创成式设计典型应用软件见表1-2-2。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知（七）创成式设计工作的一般流程1.定义设计空间与约束条件输入设计空间：明确产品的几何边界（如起始几何体）和要避让的区域（如螺栓孔、固定结构）。设置约束：包括固定点、载荷（如支撑力）、运动范围等。2.输入材料与设计目标材料选择：指定材料类型（如铝合金、塑料）及其力学性能。优化目标：如最小化质量、最大化强度或控制成本。算法驱动：软件通过迭代计算，自动去除低应力材料，保留高应力支撑结构。3.生成与评估方案自动生成模型：软件输出多个优化方案。结果分析：通过可视化工具检查应力分布、重量等关键指标。人工筛选：结合制造可行性（如3D打印限制）选择最优解。4.验证与迭代仿真测试：对选定方案进行应力、疲劳等分析，验证其性能。反馈调整：根据仿真结果修改约束或目标，重新生成方案。5.输出与制造工艺适配：将最终模型转换为可制造格式（如STL文件），并匹配加工工艺。数据库支持：调用工艺数据库（如切削参数、设备选型）确保生产可行性。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知（七）创成式设计工作的一般流程1.定义设计空间与约束条件输入设计空间：明确产品的几何边界（如起始几何体）和要避让的区域（如螺栓孔、固定结构）。设置约束：包括固定点、载荷（如支撑力）、运动范围等。2.输入材料与设计目标材料选择：指定材料类型（如铝合金、塑料）及其力学性能。优化目标：如最小化质量、最大化强度或控制成本。算法驱动：软件通过迭代计算，自动去除低应力材料，保留高应力支撑结构。3.生成与评估方案自动生成模型：软件输出多个优化方案。结果分析：通过可视化工具检查应力分布、重量等关键指标。人工筛选：结合制造可行性（如3D打印限制）选择最优解。4.验证与迭代仿真测试：对选定方案进行应力、疲劳等分析，验证其性能。反馈调整：根据仿真结果修改约束或目标，重新生成方案。5.输出与制造工艺适配：将最终模型转换为可制造格式（如STL文件），并匹配加工工艺。数据库支持：调用工艺数据库（如切削参数、设备选型）确保生产可行性。任务二创成式设计与拓扑优化的概念认知任务三NX软件高端应用模块基本认知学习目标（1）了解NX软件的发展，理解其技术演进对制造业的影响。（2）熟悉NX软件基础功能模块的核心特点，区分其与高端模块的应用差异。（3）了解三大高端模块（拓扑优化、增材制造、运动仿真）的功能。（4）能在NX软件中熟练启动上述高端模块，并进行初步参数设置。任务三NX软件高端应用模块基本认知一、情境导入C919大型客机（如图1-3-1）是我国首次按照国际通行适航标准自行研制、具有自主知识产权的喷气式干线客机。大飞机的研制，有效提升了我国航空产业配套能级，对国民经济和相关产业的带动作用开始显现。中国商飞开发了多种C919飞机专用插件，从特殊零件建模模块（钣金模块），到企业信息标注模块（零件属性设置模块）、工程注释引用模块（ENOVIA模块），再到三维标注模块和平台数模导入导出模块（WGM模块）等，形成了一套功能齐全、使用便捷的插件组合。当时，很多插件处于刚开发还未大面积使用的状态，外部参考资料少之又少，插件的使用难度让人“十分头痛”。团队开启了“贯通流程、多人并行”学习模式，每位成员依据预先规划的简单基础模型，利用专用软件和插件共同建立起可以达到平台发布标准的数模，记录每个人在建模过程中认为正确的做法及错误的操作。在此基础上，成员们相互交换数模和建模记录，以中国商飞已发布的数模为标准，对彼此的数模进行审核，指出数模中存在的问题，探讨可能的改正方法。翻过“软件”山、跨过“文件”岭，设备架总体设计彻底拉开序幕。在考察多个机型后，团队提出了多套方案：密封柜单管供风单独排风、敞开式吹风顶部抽风、底部供风顶部抽风等。经过一年多的数模优化及设计文件等相关资料的不断适航审查，C919飞机终于在2022年9月取得了型号合格证，C919飞机终于拿到了进入民用航空市场的“准入证”。任务三NX软件高端应用模块基本认知任务三NX软件高端应用模块基本认知二、明确任务（1）通过查阅资料，了解我国C919大飞机的研制历程，以及设计软件在研制期间所起的作用？（2）通过查阅资料，了解NX软件的发展历程，熟悉其基础模块。（3）了解基于增材制造工艺实现产品结构优化设计的三个高端模块的常规界面和功能。任务三NX软件高端应用模块基本认知三、知识链接（一）NX软件的功能模块NX是由西门子PLM软件开发的集成化CAD/CAE/CAM数字化产品开发系统，涵盖了从产品设计、仿真分析、制造过程优化到产品生命周期管理等多个方面，为用户提供了一个集成化的平台，帮助用户提高工作效率和优化产品质量。NX软件包含多个功能模块，按照应用类型可以分为以下几类：（1）建模设计类：造型设计（创意塑形）、草图、曲面、实体建模。用于产品的三维建模和设计。（2）工艺制造类：装配、数控编程、增材制造、模具设计、铸造、加工。用于产品的工艺制造流程的规划和实现。（3）模拟分析类：结构分析、热分析、流体分析。用于产品的虚拟样机测试和分析，以优化产品设计并提高产品的性能和安全性。（4）数据管理类：产品生命周期管理、数据交换、协同设计。用于产品数据的管理、共享和协同，以提高设计效率并降低成本。（5）其他：人机工程学、可视化渲染、运动仿真。用于产品的人机工程学分析、可视化展示和动画演示。任务三NX软件高端应用模块基本认知（二）NX拓扑优化功能模块NX2007及以上版本（如NX2000系列）内置了拓扑优化功能模块，并对其进行了显著增强，支持更高效的几何优化和自动化设计流程。后续版本陆续增加了许多新特性，如实时监控优化进度、多轴铣削支持等。NX软件内置的拓扑优化模块可以帮助设计师在设计过程中更好地考虑结构强度、刚度、稳定性及材料用量等因素，进而提高产品的性能与可靠性，同时降低成本。例如，图1-3-2所示为马达和托架，托架各部分通过焊接和螺栓连接。优化后的托架可承受与原托架相同的载荷，且节约材料、避免焊接缺陷。这种优化的支架可以采用增材制造方式生产。用户在操作时应具备有限元分析和结构设计方面的基础知识。并注意根据具体产品和设计需求，合理设置参数和约束条件，以确保优化结果的准确性和有效性。任务三NX软件高端应用模块基本认知（三）NX增材制造功能模块NX增材制造功能模块支持从设计到制造的完整3D打印流程，包括增材制造工艺仿真、拓扑优化与创成式设计、支撑结构自动生成、打印路径优化等。同时，涵盖多种打印技术，如选择性激光烧结