增材制造结构优化设计与工艺仿真 课件全套 模块1-5 NX 结构优化设计基础-NX 激光粉末床熔融工艺

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，如选择性激光烧结成型（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、金属打印等。NX增材制造功能模块应用实例如图1-3-3所示。任务三NX软件高端应用模块基本认知该模块的增材制造工艺仿真功能，有助于人们在批量生产前发现增材制造工艺过程中的各种问题。通过数字孪生技术模拟打印前的构建过程，对于实现“首次正确”打印至关重要，可以实现仿真→设计→制造的无缝连接和快速优化迭代循环。工艺仿真的输入和输出是从初始需求到最终零件打印这一连续数字主线的一部分，这条数字主线允许系统提前生成变形补偿的模型，并无缝传给产品设计及打印制造环节。该模块还具有点阵晶格结构设计功能，如图1-3-4所示。主要用于创建轻量级结构收敛体，这些收敛体也可以采用增材制造方式生产。用户可以通过该模块选择多种不同的单元格类型，如单位晶格、曲面、正方形单位、四面体填充等，并指定单元边长度和杆径；可以指定晶格的放置方位；可以按照体的轮廓进行修剪，或者按照面的轮廓创建正形图；还可以自定义单元格的形状和大小，以及晶格的密度和粗细，以满足更复杂的设计需求。任务三NX软件高端应用模块基本认知（四）NX运动仿真功能模块NX运动仿真功能模块是NX软件的重要组成部分，主要用于模拟和分析机构在实际运行中的运动规律和受力情况。该模块可以在初步设计环节、建模环节以及组装完成的机构模型上添加一系列连接和驱动件，使机构运转，模拟实际工作情况，以便分析机构的运动规律，研究机构静止或运行时的受力，进而提出改进优化设计的建议。NX运动仿真功能模块的主要功能和应用场景如下：（1）动态干涉分析。研究机构运行时各个子系统或零件之间有无干涉情况。在机构设计中期对已经完成的子系统进行运动仿真，可以为下一步设计提供空间数据参考。（2）运动轨迹跟踪。在机构运动仿真过程中，可以指定运动构件的任一点为参考并绘制其运动轨迹，这对于研究机构的运行状况很有帮助。（3）位移、速度、加速度、作用力与反作用力以及力矩分析。分析机构中零件的相关参数，辅助优化设计。（4）设计修改和验证。根据分析和研究的结果初步修改机构的设计方案，并可以通过直接修改机构主模型进行验证。（5）动画视频生成。生成机构运动视频，用于产品宣传展示和内部评审。任务三NX软件高端应用模块基本认知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