增材制造结构优化设计与工艺仿真 课件 模块2 NX 拓扑优化结构设计

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CONTENTSPART02模块二NX拓扑优化结构设计工程案例任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计学习目标（1）了解金属增材制造技术在汽车制造领域的应用现状。（2）掌握拓扑优化功能的基本操作流程。（3）掌握汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计方法。（4）掌握汽车刹车踏板拓扑优化结构的强度校核与形变检验的方法。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计一、情境导入在现代汽车制造领域，轻量化设计已成为提升性能和节能的关键手段。某汽车制造企业正在研发一款高性能赛车，刹车踏板是关键零部件之一（如图2-1-1），要求在保证结构强度和安全性的前提下实现最大程度的轻量化。为了达到这一目标，企业决定引入先进的拓扑优化技术，并与学校合作，利用NX软件进行刹车踏板的结构优化设计。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计二、明确任务任务工单见表2-1-1。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计请结合上述任务工单，完成下列任务：（1）通过查阅资料，了解刹车踏板的应用场景，以及该技术在我国的发展和应用情况。（2）通过查阅资料，了解刹车踏板的结构特点，以及材质特性。（3）结合网络图片和教材提供的图纸，小组讨论如何进行刹车踏板的建模，写出建模思路和主要建模命令。（4）按照最佳模型构建思路和方法，各小组完成基础建模。（5）对刹车踏板进行整体结构的拓扑优化设计。（6）对优化后的结构进行强度校核与形变检验。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计三、知识链接（一）拓扑优化的概念拓扑优化是一种先进的设计方法，通过数学算法和有限元分析，从指定的设计空间中去除多余材料，以实现结构的最优布局。拓扑优化广泛应用于机械工程、航空航天、汽车制造、医疗器械等领域。拓扑优化是缩短设计过程的重要手段，通过拓扑优化来确定和去除不影响零件刚性的局部材料，相当于对原始零件进行材料的再分配，从而实现基于减重要求的功能最优化。拓扑优化后的异形结构经仿真分析便可完成最终建模，这些结构往往无法用传统加工方式加工，但可以通过金属增材制造技术实现。总之，拓扑优化的宗旨是：将寻求结构的最优拓扑问题转化为在指定的设计区域内寻求最优的材料分布问题，最终得到最佳的材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计，即同一结构，在材料相同的情况下，拓扑优化结果可以使结构整体刚度最大化。正是由于拓扑优化的优势以及增材制造技术的可行性，越来越多的工程设计人员开始在结构设计过程中通过拓扑优化分析来指导工作。典型的拓扑优化结构件如图2-1-2所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（二）拓扑优化在工程应用中的优点和局限性1.拓扑优化的优点（1）减轻重量。通过去除非关键区域的材料，显著减轻结构重量，尤其适用于航空航天和汽车制造领域，有助于提高燃油效率和性能。（2）节约材料。优化后的结构仅保留必要的材料，减少材料浪费，降低制造成本。（3）提升性能。优化后的结构能够更好地满足设计要求，如提高刚度、强度和稳定性，同时减少应力集中的情况。（4）创新设计。拓扑优化能够生成传统设计方法难以实现的复杂结构，为工程师提供全新的设计思路。（5）多目标优化。可以同时考虑多种性能目标（如轻量化、高强度、高导热性等），实现综合性能的优化。2.拓扑优化的局限性（1）计算复杂性。拓扑优化通常需要大量的计算资源和时间，尤其是在处理复杂结构或高精度需求时。（2）设计结果需要通过先进的制造技术实现。优化后的结构可能过于复杂，难以用传统制造工艺实现，需要结合先进的制造技术（如3D打印）。（3）技术门槛高端化。拓扑优化需要用到专业的软件工具且需要工程师具有一定的理论知识，因此对工程师的技能水平要求较高。（4）结果解释困难。需要对优化结果做进一步的工程判断和调整，以确保其在实际应用中的可行性。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（三）拓扑优化的典型应用领域1.航空航天轻量化结构：如飞机机翼、机身框架等，通过拓扑优化减轻重量，提高燃油效率。复杂零部件：如发动机叶片、涡轮盘等，拓扑优化后的结构能够承受极端工况下的高应力。2.汽车底盘结构：拓扑优化汽车底盘的结构布局，可提高刚度和安全性，并减轻重量。发动机零部件：如发动机支架、曲轴等，通过拓扑优化减少材料使用，提升性能。3.医疗器械骨骼植入物：如髋关节、膝关节植入物，通过拓扑优化设计出与人体骨骼结构相匹配的多孔结构，促进骨组织生长。固定义齿：如牙冠、牙桥等，拓扑优化后的结构能够更好地适应口腔环境，提高舒适性和耐用性。4.工业装备机械零部件：如齿轮、轴承座等，通过拓扑优化提高强度和耐用性。散热器：拓扑优化散热器的结构布局，提高热传导效率，减少材料使用。5.运动装备自行车零部件：如车架、车轮等，通过拓扑优化减轻重量，提高性能。运动鞋：如鞋底结构，拓扑优化后能够更好地分散压力，提供舒适的支撑。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图的分析（如图2-1-3）（1）整体分析。本产品为汽车用刹车踏板，其结构尺寸中等，主要承受垂直方向的载荷。采用拓扑优化设计可以显著减轻重量，同时保持足够的强度和刚度。相较于传统减材加工工艺，增材制造工艺更适合这种复杂结构的制造。设计软件：使用NX软件进行拓扑优化设计，生成轻量化结构。材料：选用高强度铝合金（如6061），在保证强度的前提下实现轻量化。（2）尺寸分析。最大成形尺寸：刹车踏板的最大成形尺寸为240mm，满足增材制造设备（SLM328）的成形范围。壁厚与余量：关键部位的壁厚保持在2mm以上，以确保结构强度。对于后续精加工部位（如安装孔），预留0.3mm的加工余量，高度方向预留0.5mm以上的余量。表面精度：外围尺寸保留增材制造的自然成形精度，无须额外加工。（3）表面质量与后处理。热处理：刹车踏板需经过强化热处理，以释放残余应力，进而确保材料性能的一致性。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计表面处理：通过普通喷砂处理去除表面杂质，线切割取件后进行抛光处理，以达到设计要求。清理：内部残留的金属粉末可采用底面钻孔的方式清理，防止热处理过程中出现烧结现象。通过以上优化设计和工艺流程，刹车踏板在满足轻量化需求的同时，能够保持足够的强度和功能性，这也体现了增材制造技术在汽车零部件制造中的优势。五、任务实施（一）设计方案本产品为汽车刹车踏板的一体模型，三维建模的第一阶段是刹车踏板的构建，又可分为两步：一是绘制整个刹车踏板的中间截面草图，二是对截面草图进行逐个结构拉伸合并。第二阶段是对刹车踏板进行拓扑优化结构设计，具体包括指定拓扑优化空间及保留区域，设置各项优化参数并进行优化计算，完成强度校核与形变检验。建模流程可参考图2-1-4。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（二）刹车踏板模型构建1.绘制中间截面草图（1）右端孔绘制，如图2-1-5所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（2）圆弧绘制，同时与φ15和φ20的圆相切，如图2-1-6所示，然后偏置圆弧距离为20，如图2-1-7所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（2）圆弧绘制，同时与φ15和φ20的圆相切，如图2-1-6所示，然后偏置圆弧距离为20，如图2-1-7所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（3）绘制两个圆弧圆心位置点，再绘制两个圆弧φ90和φ66，如图2-1-8所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（4）绘制两圆的两切线并确保夹角6°，如图2-1-9所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（5）圆弧与直线对应倒圆角，如图2-1-10所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（6）确定弧面踏板的圆心位置，再绘制双圆弧及其宽度圆心角，如图2-1-11所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（7）修剪多余曲线、完善特征，如图2-1-12所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计2.分特征拉伸（1）拉伸连接杆，如图2-1-13所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（2）拉伸右端连接孔特征（如图2-1-14）：通过拉伸命令实现。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（3）拉伸中间支撑孔特征（如图2-1-15）：通过拉伸、抽壳命令实现。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（3）拉伸中间支撑孔特征（如图2-1-15）：通过拉伸、抽壳命令实现。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（三）刹车踏板拓扑优化结构设计（1）指定踏板、支撑孔、连接孔区域为保留区域（如图2-1-17）：在踏板、支撑孔位置设计与踏板重叠的实体。（2）指定刹车踏板本体为设计空间并指派材料（如图2-1-18），指定设计空间时不要选择重叠特征。（3）指定踏板、支撑孔、连接孔处新建实体为构造体（如图2-1-19）：踏板、支撑孔区域实体设置方法为保留；支撑孔区域抽壳，抽壳厚度为5mm。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（三）刹车踏板拓扑优化结构设计（1）指定踏板、支撑孔、连接孔区域为保留区域（如图2-1-17）：在踏板、支撑孔位置设计与踏板重叠的实体。（2）指定刹车踏板本体为设计空间并指派材料（如图2-1-18），指定设计空间时不要选择重叠特征。（3）指定踏板、支撑孔、连接孔处新建实体为构造体（如图2-1-19）：踏板、支撑孔区域实体设置方法为保留；支撑孔区域抽壳，抽壳厚度为5mm。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（三）刹车踏板拓扑优化结构设计（1）指定踏板、支撑孔、连接孔区域为保留区域（如图2-1-17）：在踏板、支撑孔位置设计与踏板重叠的实体。（2）指定刹车踏板本体为设计空间并指派材料（如图2-1-18），指定设计空间时不要选择重叠特征。（3）指定踏板、支撑孔、连接孔处新建实体为构造体（如图2-1-19）：踏板、支撑孔区域实体设置方法为保留；支撑孔区域抽壳，抽壳厚度为5mm。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（4）设置拓扑优化参数。1）设置“形状约束”方式为“平面对称”，如图2-1-20所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计2）设置“优化约束”方式为“质量目标”，指定目标重量，如图2-1-21所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计3）中间孔内壁为固定约束，如图2-1-22所示。4）连接孔内壁向上力为400N，如图2-1-23所示。5）踏板上表面向下力为500N，如图2-1-24所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计3）中间孔内壁为固定约束，如图2-1-22所示。4）连接孔内壁向上力为400N，如图2-1-23所示。5）踏板上表面向下力为500N，如图2-1-24所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计3）中间孔内壁为固定约束，如图2-1-22所示。4）连接孔内壁向上力为400N，如图2-1-23所示。5）踏板上表面向下力为500N，如图2-1-24所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（5）进行拓扑计算，如图2-1-25所示。任务一汽车刹车踏板的拓扑优化结构设计（6）结果验证，如图2-1-26所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计学习目标（1）了解金属增材制造技术在机床装备领域的应用现状。（2）深入理解拓扑优化功能相关参数的含义。（3）掌握钻床托盘的拓扑优化结构设计方法。（4）掌握钻床托盘拓扑优化结构的强度校核与形变检验的方法。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计一、情境导入某机床设备企业研发新产品，计划采用金属增材制造工艺完成轻量化钻床托盘的制造。钻床托盘基础模型设计好以后，交由校企合作的增材制造技术应用工作站完成拓扑优化结构设计，并进行强度校核与形变检验。钻床托盘如图2-2-1所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计二、明确任务任务工单见表2-2-1。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计请结合上述任务工单，完成下列任务：（1）通过查阅资料，了解金属增材制造技术在机床装备领域的应用现状。（2）分析钻床托盘的结构特点，了解其材料的增材制造工艺特性。（3）结合钻床托盘图纸，小组讨论如何进行建模，写出建模思路和主要建模命令。（4）按照最佳模型构建思路和方法，各小组完成钻床托盘的基础建模。（5）对钻床托盘进行拓扑优化结构设计，并完成强度校核与形变检验。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计三、知识链接（一）拓扑优化结构设计的起源和发展拓扑优化按研究的结构对象可分为两大类：离散结构拓扑优化，如桁架、刚架、加强筋板膜等骨架结构及它们的组合；连续体拓扑优化，如二维板壳、三维实体。1.早期理论奠基（1904年）离散结构拓扑优化的起源以1904年Michell提出的桁架理论为标志。该理论通过应变场分析实现单工况下桁架结构的最小重量设计，但受限于单工况假设和应变场选择依赖性。这一阶段的研究为后续优化方法提供了理论基础。2.基结构方法突破（20世纪60年代）Dorn、Gomory和Greenberg等学者提出的基结构法（Groundstructureapproach）成为重要转折点。该方法克服了Michell理论的局限性，使离散结构拓扑优化进入实用化阶段。Schmit同期将结构优化问题转化为数学规划问题，奠定了现代优化算法的理论基础。3.连续体优化发展（20世纪80年代后）连续体拓扑优化是1988年由Bendsoe和Kikuchi提出的基于密度的优化方法（SIMP法），通过引入伪密度变量实现材料分布的自由变化。该方法显著提升了计算效率，并衍生出水平集法、进化算法等高级技术，推动拓扑优化在航空航天、汽车等领域的广泛应用。4.现代技术融合现在，拓扑优化已与增材制造、多尺度设计等技术深度融合。例如，航空领域采用激光增材制造技术生产拓扑优化后的关键零部件，实现减重30%以上的同时保持结构强度。这种融合突破了传统制造工艺对复杂结构的限制，使设计自由度大幅提升。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（二）拓扑优化从物理模型角度分类1.均质化方法该方法通过引入微结构单元（如周期性孔洞）描述材料分布，将设计变量定义为微结构参数（如孔洞尺寸、方向角等）。其核心思想是通过调整微结构单元的几何参数实现宏观性能优化，适用于解决多工况平面问题、三维连续体问题及振动问题等。2.相对密度法（SIMP法）通过假想材料密度在0～1之间连续变化，直接建立材料宏观弹性常数与密度的非线性关系。SIMP法以单元相对密度为设计变量，将拓扑优化转化为材料最优分布问题，计算效率高且应用广泛。3.水平集方法利用水平集函数隐式描述材料边界，通过演化函数更新边界形状实现优化。该方法能精确捕捉复杂几何形貌，但计算成本较高，适用于高精度要求的工程。4.多物理场耦合方法针对电磁、热力等多物理场耦合问题，通过数学规划与数值算法（如多相水平集、自适应多尺度算法）优化材料分布。例如，电磁装置拓扑优化中，需同时考虑电磁场、热场和结构场的相互作用。5.多尺度拓扑优化结合宏观结构优化与微观材料设计，通过多层级约束（如周期性结构、微点阵）实现轻量化与多功能集成。典型应用包括航空航天器支架、汽车发动机部件等。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（三）拓扑优化在工业领域的核心应用拓扑优化通过数学算法优化材料分布，实现结构轻量化、性能提升和成本降低，其工业应用已覆盖多个关键领域。1.汽车工业轻量化设计：通过拓扑优化减少发动机支架、车架等部件的重量（如铝合金轮毂减重40%以上），同时保持强度。NVH性能优化：优化汽车下摆臂等部件的拓扑结构，降低振动噪声（NVH）并提升耐久性。3D打印集成：结合选择性激光熔融成型（SLM）金属3D打印技术，直接制造拓扑优化后的复杂结构，缩短生产周期。2.工业机器人传动结构优化：对机器人臂等关键部件进行拓扑优化，识别主传力路径，提升刚度和稳定性。多约束设计：支持工艺约束和性能指标的协同优化。3.能源与化工管道系统监控：通过拓扑组态可视化技术（如“一键寻阀”功能）快速定位阀门故障，提升石油化工、供水系统的运维效率。4.重载机械传动轴轻量化：拓扑优化技术结合高强材料（如镁铝合金），在保证疲劳强度的前提下减轻重量。未来，拓扑优化与增材制造、AI算法的结合将进一步推进工业设计的智能化，例如通过Python等工具实现自动化优化流程。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（四）拓扑优化的一般过程（1）在指定的载荷和边界条件下，定义设计区域，也称为设计空间。（2）采用某种物理模型，将设计区域离散成足够多的子设计区域，确定设计变量。（3）对若干子设计区域进行结构分析和灵敏度分析，建立设计变量与结构位移、应力、频率等关系，从而形成目标函数和约束条件。（4）按某种优化策略和准则从若干子设计区域中删除某些单元，用保留下来的单元描述结构的最优拓扑。如图2-2-2所示为展示件的拓扑优化设计过程，根据引用要求边界条件进行拓扑优化处理及打印光顺处理，可打印性好，最终减重55%。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析（如图2-2-4）（1）整体分析。本产品为小型钻床上的受力托盘，也是钻孔工作台，从工程力学范畴讲是一个典型的悬臂梁式托盘结构。带有T型槽的平台部分是受力区，而另一端的锁箍结构是可以沿着钻床立柱升降的，两者中间的横梁是传导力的悬臂梁，悬臂梁及周边形成一个受力空间，即拓扑优化计算的设计空间。（2）尺寸分析。该零件最大成形尺寸为80mm，最薄壁厚为0.5mm。槽孔等精加工部位由减材加工工艺完成，因此打印时相应部分要留有0.2mm以上的精加工余量。高度方向上，要在工作台面留有0.3mm以上的精加工余量。（3）表面质量与后处理。打印时，通常要将钻床托盘的工作台面朝下摆放，打印后要进行去应力退火、普通喷砂处理、线切割取件，然后对工作台面上的支撑进行减材加工，注意把控尺寸精度和表面质量。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计五、任务实施（一）设计方案本产品为钻床托盘的一体模型，三维建模的第一阶段是托盘原始模型的构建，第二阶段是对钻床托盘进行拓扑优化结构设计，具体包括指定拓扑优化空间及保留区域，设置各项优化参数并进行优化计算。建模流程可参考图2-2-5。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（二）钻床托盘模型构建1.托盘套箍拉伸（1）长圆框草图绘制，如图2-2-6所示。（2）拉伸建模，如图2-2-7所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计2.钻床托盘套箍连接（1）绘制连接体的截面草图，如图2-2-8所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（2）拉伸连接体，如图2-2-9所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计3.托盘套箍通孔（1）绘制直径17mm圆形凸台的草图，如图2-2-10所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（2）拉伸圆形凸台并倒角R2，如图2-2-11所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（3）绘制小通孔的草图，如图2-2-12所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（4）拉伸出通孔，如图2-2-13所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计4.钻床托盘套箍侧孔（1）绘制套箍侧孔草图，如图2-2-14所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（2）分别拉伸出不同深度的侧阶梯孔，如图2-2-15所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（3）绘制并拉伸4个侧面小孔，如图2-2-16所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计5.钻床托盘横梁绘制（1）绘制半圆横梁的草图，如图2-2-17所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（2）拉伸出半圆横梁，如图2-2-18所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（3）绘制托盘方形底座截面草图，如图2-2-19所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（4）拉伸托盘方形底座，如图2-2-20所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计6.从底座拉伸托盘（如图2-2-21）任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计7.拉伸托盘四周凹槽（如图2-2-22）8.拉伸T型槽（1）绘制T型槽的截面草图，如图2-2-23所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计7.拉伸托盘四周凹槽（如图2-2-22）8.拉伸T型槽（1）绘制T型槽的截面草图，如图2-2-23所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（2）拉伸出T型槽结构，如图2-2-24所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（三）钻床托盘拓扑优化结构设计1.准备模型设计空间（1）模型简化，去除钻床拓扑链接结构，如图2-2-25所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（2）添加充足有效的设计空间，如图2-2-26所示。2.定义研究项目（如图2-2-27）（1）分析类型——选择“结构（线性静态）”。（2）定义名称——“台钻1”。（3）优化目标——“最大化刚度”。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（2）添加充足有效的设计空间，如图2-2-26所示。2.定义研究项目（如图2-2-27）（1）分析类型——选择“结构（线性静态）”。（2）定义名称——“台钻1”。（3）优化目标——“最大化刚度”。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计3.新建设计空间（1）在“设计空间”对话框中选择相应的体作为设计空间，如图2-2-28所示。（2）单击“指派材料”按钮，在“材料列表”对话框中选择设计空间体的材料，如图2-2-29所示。（3）指定钻床台面及立柱为构造体并保留，如图2-2-30所示。（4）设置“形状约束”方式为“构件最小尺寸”，最小直径为1mm，如图2-2-31所示。（5）设置“优化约束”方式为“质量目标”，目标重量一般为推荐质量的二分之一，即0.12kg，如图2-2-32所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计3.新建设计空间（1）在“设计空间”对话框中选择相应的体作为设计空间，如图2-2-28所示。（2）单击“指派材料”按钮，在“材料列表”对话框中选择设计空间体的材料，如图2-2-29所示。（3）指定钻床台面及立柱为构造体并保留，如图2-2-30所示。（4）设置“形状约束”方式为“构件最小尺寸”，最小直径为1mm，如图2-2-31所示。（5）设置“优化约束”方式为“质量目标”，目标重量一般为推荐质量的二分之一，即0.12kg，如图2-2-32所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计3.新建设计空间（1）在“设计空间”对话框中选择相应的体作为设计空间，如图2-2-28所示。（2）单击“指派材料”按钮，在“材料列表”对话框中选择设计空间体的材料，如图2-2-29所示。（3）指定钻床台面及立柱为构造体并保留，如图2-2-30所示。（4）设置“形状约束”方式为“构件最小尺寸”，最小直径为1mm，如图2-2-31所示。（5）设置“优化约束”方式为“质量目标”，目标重量一般为推荐质量的二分之一，即0.12kg，如图2-2-32所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计3.新建设计空间（1）在“设计空间”对话框中选择相应的体作为设计空间，如图2-2-28所示。（2）单击“指派材料”按钮，在“材料列表”对话框中选择设计空间体的材料，如图2-2-29所示。（3）指定钻床台面及立柱为构造体并保留，如图2-2-30所示。（4）设置“形状约束”方式为“构件最小尺寸”，最小直径为1mm，如图2-2-31所示。（5）设置“优化约束”方式为“质量目标”，目标重量一般为推荐质量的二分之一，即0.12kg，如图2-2-32所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计4.分析约束（1）在“分析约束”对话框中选择“固定”约束。（2）指定相应的侧面为固定约束，如图2-2-33所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计5.分析载荷（1）在“分析载荷”对话框中选择“力”选项。（2）指定载荷作用的面（托盘底平面）。（3）托盘底面向下力为500N，并且力在面上均布，如图2-2-34所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计6.拓扑优化单击“优化”按钮，开始拓扑计算，直到求解完成，如图2-2-35所示。。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计7.结果分析验证（1）单击“显示结果”，在“结果设置”对话框中选择“结果类型”为“应力”，如图2-2-36所示。拓扑优化单击“优化”按钮，开始拓扑计算，直到求解完成，如图2-2-35所示。。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（2）模型会显示体现应力分布情况的红绿蓝显色图，可发现最大应力产生位置及数值（19.13MPa），远小于材料的屈服强度110MPa，如图2-2-37所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计（3）单击“显示结果”，在“结果设置”对话框中选择“结果类型”为“位移”，位移情况如图2-2-38所示。任务二钻床托盘的拓扑优化结构设计8.确认结果，完成设计根据结果分析决定是否更改参数重新计算。如果认同结果，则将拓扑结构体与构造体部分合并运算，得到完整设计结构，如图2-2-39所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计学习目标（1）了解金属增材制造技术在发动机制造中的应用。（2）掌握发动机活塞结构的基础建模方法。（3）掌握发动机活塞的复杂拓扑优化结构设计方法。（4）掌握发动机活塞拓扑优化结构的强度校核与形变检验的方法。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计一、情境导入某发动机制造企业研发新产品，计划采用金属增材制造工艺完成轻量化发动机活塞的制造。发动机活塞参数确定后，交由校企合作的增材制造技术应用工作站创建模型，并进行结构拓扑优化设计。发动机活塞如图2-3-1所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计二、明确任务任务工单见表2-3-1。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计请结合上述任务工单，完成下列任务：（1）通过查阅资料，熟悉发动机的应用场景，了解发动机技术在我国的发展和应用情况。（2）通过查阅资料，了解发动机活塞的结构特点、材料特性。（3）结合网络图片和教材提供的图纸，小组讨论如何进行建模，写出建模思路和主要建模命令。（4）按照最佳模型构建思路和方法，各小组完成发动机活塞的基础建模。（5）对发动机活塞进行拓扑优化结构设计，并完成强度校核与形变检验。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计三、知识链接拓扑优化技术在汽车制造领域得到了广泛应用，在实现轻量化、提高性能、提升安全性方面起到重要作用。（一）车身结构轻量化在现代汽车设计中，轻量化是提升燃油经济性和减少排放的关键途径之一。车身作为车辆主要结构部件，其重量直接影响车辆的能耗和性能。拓扑优化技术通过优化车身结构的材料分布，在不降低强度和刚度的前提下，显著减轻车身重量。在某汽车制造企业的轻量化项目中，车辆整体重量减轻了约20%。（二）关键零部件优化汽车的关键零部件，如悬架臂、底盘和变速箱外壳等，在确保车辆的性能和安全方面至关重要。这些零部件通常需要在承受高应力和动态载荷的情况下保持高强度和刚性。拓扑优化技术为这些零部件的设计提供了新的思路。某汽车的悬架臂优化后，结构更加紧凑，材料分布更加合理，能够更好地承受动态载荷。（三）空气动力学设计空气动力学设计对提升燃油经济性和高速稳定性至关重要。在某汽车制造商的空气动力学优化项目中，拓扑优化技术用于车身外形和进气口。通过优化，车辆的空气阻力降低了10%，进气效率提高了15%。优化后的车身外形既满足空气动力学要求，又提升了美观性。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（四）多材料优化为了进一步减轻汽车重量，同时保持结构强度，多材料优化成为一种重要的设计策略。拓扑优化技术可以结合多种材料（如高强度钢、铝合金、碳纤维复合材料等），在不同部位合理分配材料，可实现轻量化和高性能的双重目标。在某汽车制造商的多材料优化项目中，拓扑优化技术用于设计车身框架。在车身框架关键部位使用高强度钢以保证强度，而在非关键部位使用铝合金和碳纤维复合材料以减轻重量。最终，车身框架的重量减轻了35%，同时结构强度和刚性得到了保证。（五）安全性能提升汽车的安全性是在设计环节需要重点考虑的。优化后的车身结构在碰撞测试中表现出良好的变形模式和应力分布，保证了车辆高速行驶时的稳定性和安全性。在某汽车制造商的安全性优化项目中，拓扑优化技术用于设计车身结构。优化后的车身结构在关键部位保留了足够的材料以承受碰撞载荷，同时在非关键部位去除多余材料以减轻重量。车身结构在正面和侧面碰撞中表现出良好的能量吸收能力和抗变形能力。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（六）优化流程与技术挑战1.优化流程（1）明确设计区域：确定需要优化的结构部件和设计空间。（2）设置优化目标和约束条件：如最小化重量、最大化刚度或强度等。（3）有限元分析：通过有限元分析验证优化结果的性能。（4）后处理：对优化结果进行后处理，确保其可制造性。2.技术挑战（1）计算复杂性：拓扑优化通常需要大量的计算资源和时间。（2）优化结果的可制造性：复杂的优化结果可能难以用传统制造工艺实现。（3）多目标优化的平衡：如何在多个性能目标（如轻量化、强度、刚度等）之间取得平衡。（七）未来发展方向（1）结合人工智能和机器学习技术，进一步提高拓扑优化算法的效率和结果的实用性。（2）同时考虑多种物理场（如热、流体、结构）的耦合，实现更全面的优化。（3）增材制造技术为复杂结构的制造提供了可能，拓扑优化与增材制造的结合将成为未来汽车设计制造的主要方式。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析（如图2-3-3）（1）整体分析。本产品为发动机用活塞，其结构尺寸较小但形状复杂，主要承受高温、高压以及高频往复运动带来的机械载荷。采用拓扑优化设计可以显著减轻重量，同时保持足够的强度和刚度。相较于传统减材加工工艺，增材制造工艺更适合这种复杂结构的制造。设计软件：使用NX软件进行拓扑优化设计，生成轻量化结构。材料：选用高强度铝合金（AlSi10Mg），在保证强度的前提下实现轻量化。（2）尺寸分析。最大成形尺寸：活塞的最大成形尺寸为80mm，满足增材制造设备的成形范围。壁厚与余量：关键部位的壁厚保持在4mm以上，以确保结构强度。对于后续精加工部位（如活塞顶部和裙部），预留0.2mm的加工余量，高度方向预留0.3mm以上的余量。表面精度：外围尺寸保留增材制造的自然成形精度，无须额外加工，但需要确保尺寸精度以满足发动机装配要求。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（3）表面质量与后处理。热处理：活塞需经过强化热处理，以释放残余应力并提高材料性能一致性，进而确保其在高温高压环境下的可靠性。表面处理：通过普通喷砂处理去除表面杂质，线切割取件后进行抛光处理，以达到设计要求。活塞顶部和裙部需要进行精细抛光，以减少摩擦和磨损。清理：内部残留的金属粉末可通过在顶面或侧面钻孔来清理，防止热处理过程中出现烧结现象。通过以上优化设计和工艺流程，发动机活塞在满足轻量化需求的同时，能够保持足够的强度和功能性，这也体现了增材制造技术在高性能发动机零部件制造中的巨大潜力。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计五、任务实施（一）设计方案本产品为汽车发动机活塞的一体模型，三维建模的第一阶段是发动机活塞模型的构建，又可分为六步：活塞本体建模、创建避空台阶、活塞孔建模、壁厚调整、活塞环槽建模、特征完善。第二阶段是对发动机活塞进行拓扑优化结构设计，具体包括指定拓扑优化空间及保留区域，设置各项优化参数并进行优化计算。建模流程可参考图2-3-4。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（二）发动机活塞模型构建1.活塞本体建模（1）活塞本体截面草图建模，如图2-3-5所示。（2）生成活塞本体旋转特征，如图2-3-6所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计2.创建避空台阶（1）避空台阶截面草图建模，如图2-3-7所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（2）避空台阶拉伸切除，如图2-3-8所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计3.活塞孔建模（1）活塞孔外壁截面草图建模，如图2-3-9所示。（2）活塞孔外壁拉伸一侧特征，然后镜像另一侧特征，如图2-3-10所示。（3）拉伸切除产生活塞孔，如图2-3-11所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计3.活塞孔建模（1）活塞孔外壁截面草图建模，如图2-3-9所示。（2）活塞孔外壁拉伸一侧特征，然后镜像另一侧特征，如图2-3-10所示。（3）拉伸切除产生活塞孔，如图2-3-11所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（4）活塞头内部尖角倒圆，完成最终建模，如图2-3-12所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（三）发动机活塞拓扑优化结构设计1.模型简化删除圆角等特征，如图2-3-13所示。2.设计拓扑优化设计空间（如图2-3-14）3.设计拓扑优化保留区域（如图2-3-15）4.指定设计空间及构造体（1）指定设计空间并指派材料，如图2-3-16所示。（2）指定构造体，选择“保留”，如图2-3-17所示。（3）指定拉伸圆柱为构造体，选择“抽壳”，壁厚5mm，如图2-3-18所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计5.指定拓扑优化参数（1）设置“形状约束”方式为“平面对称”，如图2-3-19所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（2）设置“优化约束”方式为“质量目标”，指定目标重量，如图2-3-20所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计（3）指定中间孔内壁为固定约束，如图2-3-21所示。（4）指定活塞顶面受到压力为1MPa，如图2-3-22所示。（5）指定活塞侧面受到压力为0.5MPa，如图2-3-23所示。任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计6.拓扑优化（如图2-3-24）任务三发动机活塞的拓扑优化结构设计7.结果验证（如图2-3-25）任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计学习目标（1）了解金属增材制造技术在摩托车制造领域的应用现状。（2）掌握摩托车支架的建模设计方法。（3）掌握摩托车支架拓扑优化结构的特殊设计方法。（4）掌握摩托车支架拓扑优化结构的强度校核与形变检验的方法。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计一、情境导入某摩托车企业研发新产品，计划采用金属增材制造工艺完成轻量化摩托车支架的制造。摩托车支架如图2-4-1所示，摩托车支架工作场景如图2-4-2所示。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计二、明确任务任务工单见表2-4-1。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计请结合上述任务工单，完成下列任务：（1）通过查阅资料，了解摩托车支架的应用场景。（2）通过查阅资料，了解摩托车支架的结构特点和材料特性。（3）结合网络图片和教材提供的图纸，小组讨论如何进行建模，写出建模思路和主要建模命令。（4）按照最佳模型构建思路和方法，各小组完成摩托车支架的基础建模。（5）对摩托车支架进行拓扑优化结构设计，并完成强度校核与形变检验。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计三、知识链接为了提升摩托车产品质量、缩短开发周期、降低成本，研发团队将有限元分析技术应用于整个开发过程，该技术可以在样品、样车之前，模拟零部件甚至整车的性能和工作状态，避免传统设计方法（设计—试制—测试—改进设计—再试制）导致的过程重复，使产品在整个开发过程中处于可预见、可控制的状态。如今，摩托车已突破传统代步工具的定义边界，成为一种文化符号。2016年，空客集团制造的3D打印电动摩托车如图2-4-3所示。这款摩托车最大的特点是重量轻、结构优，车身总重量仅为35kg，比普通电动摩托车轻30%。而空客集团能取得这样的突破，与其综合应用拓扑优化技术和增材制造技术有很大关系——拓扑优化技术用于将框架设计成仿生力学结构，实现了材料的最佳分布；增材制造技术用于完成关键零部件的制造。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计（一）拓扑优化软件设计流程（1）设计人员确定零件所需的最小设计空间。（2）定义外部载荷、边界条件、约束条件以及材料属性等输入信息，并指定固定锚点（不参与设计优化的固定形体）。（3）通过有限元分析（FEA）考虑边界条件内（如应用负载点、安装位置以及约束区域等）的设计空间，并将设计空间分解为更小的区域。（4）拓扑优化软件利用有限元创建较小设计区域的基本网格（mesh），并通过有限元分析评估网格的应力分布和应变能，以找到每个元素可以处理的最佳载荷或应力。（5）拓扑优化软件以数字方式从各个角度对设计施加应力并进行分析，评价其结构完整性，并找到不需要的材料区域（退化设计）。（6）根据要求测试每个有限元的刚度、柔度、应力、挠度，确定多余的材料区域。（7）进行有限元分析，将各个有效部件单元整合在一起，组成设计终稿，即拓扑优化的结构件。经典的拓扑优化设计步骤如图2-4-4所示。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计（二）拓扑优化与有限元分析的关系进行拓扑优化时，首先需要建立结构的有限元模型。借助有限元模型，可将结构离散化为若干小单元，再对每个小单元进行力学分析，然后通过叠加算法求解整体结构的力学性能。接下来，便可通过对有限元模型进行拓扑优化运算，结合力学传导路径分析，得到最优的结构形状和材料分布。拓扑优化算法可以基于演化算法、优化算法等多种方法实现。可以把拓扑优化看作有限元分析之上的一层循环，循环内反复调用有限元求解器，每次有限元求解完毕后更新敏感度场、材料参数场等场变量，然后根据新的场变量再次调用有限元求解器，直至达到拓扑优化的收敛标准。例如，对起重机的吊钩进行拓扑优化分析，可获得节约材料成本的最佳设计方案，如图2-4-5所示。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计（三）拓扑优化技术在人形机器人设计领域的应用借助拓扑优化技术实现人形机器人轻量化，可显著提升其性能，使其更好地适应各种应用场景。在机动性方面，轻量化后的人形机器人重量减轻，运动惯性也随之减小，这使得其在执行动作指令时能够更加敏捷地启动、停止以及变换姿态；在狭窄空间转向、躲避障碍物时也会更加灵活。特斯拉发布的第二代人形机器人擎天柱（OptimusGen2）重量减轻了约10kg，其步行速度得到了约30%的提升，平衡感和身体控制能力也有所改善。在速度表现上，由于自身重量减轻，人形机器人的关节、电机等部件在驱动时所需克服的阻力变小，能够更快地达到设定的运动速度，无论是行走、奔跑还是做其他动作，整体运动速度均有所加快，从而更高效地完成各种任务。在动作准确度方面，轻量化能让人形机器人的动作更加精准。过重的机身容易在运动过程中发生较大晃动，轻量化后则可有效避免这一问题，使其在抓取物品、做精细动作（如装配零部件）时，能够更准确地按照预设的轨迹和力度进行，减少失误率。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析（如图2-4-7、图2-4-8）（1）整体分析。本产品是一款轻量化的摩托车支架，用于连接减震器和车架，起调节作用，载荷主要来自减震器端和车架连接端。需要根据实际受载情况进行适当简化调整，为拓扑优化做准备，进而满足使用前提下的最小安全系数和最大位移量。拓扑优化后，支架的结构轮廓将发生很大变化，从而导致制造工艺改变。此时，完全依靠传统的减材工艺已经满足不了轻量化支架的生产要求，因此，先通过增材制造完成支架的整体打印，然后通过减材制造完成结构件上关键配合面和孔的加工。任务四摩托车支架的拓扑优化结构设计四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析（如图2-4-7、图2-4-8）（1）整体分析。本产品是一款轻量化的摩托车支架，用于连接减震器和车架，起调节作用，载荷主要来自减震器端和车架连接端。需要根据实际受载情况进行适当简化