3D打印-增材制造是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢，其優(yōu)勢顯而易見，它可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無法制造的設(shè)計，比如復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計、多零件融合一體化制造等。3D打印-增材制造不僅是工藝的革命，它還帶來了設(shè)計的革命，帶來了全新的設(shè)計可行性，使得改變設(shè)計理念成為必然。我們在面向增材制造的設(shè)計中，需要重新審視原有設(shè)計，充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢。

圖：增材制造點陣結(jié)構(gòu)

基于3D打印-增材制造思維的設(shè)計是一場設(shè)計的革命，它完全打開了設(shè)計枷鎖，進(jìn)行面向增材制造、由產(chǎn)品性能驅(qū)動的設(shè)計。在該設(shè)計流程中，正向設(shè)計是核心思想，仿真優(yōu)化是核心技術(shù)，其基本流程為：

基于產(chǎn)品性能要求定義設(shè)計空間、設(shè)計條件和設(shè)計目標(biāo)；

通過拓?fù)湫蚊矁?yōu)化技術(shù)確定產(chǎn)品概念設(shè)計外形，其核心技術(shù)是拓?fù)鋬?yōu)化；

確定產(chǎn)品概念設(shè)計外形后，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和定型，其核心技術(shù)是參數(shù)優(yōu)化；

對優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行性能驗證，其核心技術(shù)是仿真分析；

     本文簡要闡述了面向增材制造的先進(jìn)設(shè)計的理念和實現(xiàn)手段，并將其應(yīng)用于某型號振動臺動圈骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)果顯示由先進(jìn)設(shè)計理念指導(dǎo)的振動臺動圈骨架的最終優(yōu)化設(shè)計的各項性能全面優(yōu)于原設(shè)計。

某型號振動臺動圈結(jié)構(gòu)概述

     電動振動臺模擬產(chǎn)品在制造、組裝運(yùn)輸以及使用執(zhí)行階段所遭遇的各種環(huán)境，用以鑒定產(chǎn)品是否具有忍受環(huán)境振動的能力，被廣泛應(yīng)用于國防、航空、航天、通訊、電子、汽車以及家電等行業(yè)。動圈骨架是電動振動臺的關(guān)鍵部件，其動力學(xué)特性的優(yōu)劣將直接影響到振動臺系統(tǒng)的一階豎向共振頻率的高低，從而影響到振動臺工作頻率的上限和非線性失真大小，因此一階豎向共振頻率是設(shè)計振動臺的技術(shù)關(guān)鍵。某型號振動臺動圈原設(shè)計如圖1所示。其各個部分的力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

圖1 某型號振動臺動圈結(jié)構(gòu)

表1 動圈結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

     振動臺動圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)是在保證骨架質(zhì)量不增加的前提下，其豎向一階共振頻率盡量提升，其余性能指標(biāo)（強(qiáng)度、Q值、橫向振動、臺面振動均勻度等）與原設(shè)計相當(dāng)或優(yōu)于原設(shè)計。

振動臺動圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略概述

    振動臺動圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化策略是在保持動圈各個結(jié)構(gòu)材料不變的情況下，通過優(yōu)化動圈骨架原始結(jié)構(gòu)，達(dá)到在質(zhì)量相對于原設(shè)計不增加的情況下，其豎向一階共振頻率盡可能提升，其它各項性能，包括骨架強(qiáng)度、Q值、動圈的橫向振動以及振動臺臺面振動均勻度等均較原設(shè)計的相應(yīng)性能有所提升。此優(yōu)化策略的實現(xiàn)手段是：首先在ANSYS Workbench里對動圈結(jié)構(gòu)的原設(shè)計模型進(jìn)行有限元分析，以獲得原設(shè)計結(jié)構(gòu)的相應(yīng)性能評價指標(biāo)，并以此分析為基礎(chǔ)，利用拓?fù)鋬?yōu)化軟件GENESIS對動圈骨架原設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)湫蚊矁?yōu)化，以獲得具有最佳材料分布和最佳傳力路徑的動圈骨架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計；然后基于拓?fù)鋬?yōu)化的材料分布確定參數(shù)化建模方案并利用參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang 對參數(shù)化模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，完成最終的詳細(xì)設(shè)計；最后，對最終的詳細(xì)設(shè)計進(jìn)行有限元分析，提取相應(yīng)的性能評價指標(biāo)值，并與原設(shè)計的相應(yīng)性能評價指標(biāo)進(jìn)行比較，最終確定優(yōu)化設(shè)計是否滿足要求。

振動臺動圈骨架拓?fù)湫蚊矁?yōu)化

    拓?fù)鋬?yōu)化基于已知的設(shè)計空間和工況條件以及設(shè)計約束，確定剛度最大、質(zhì)量最小的設(shè)計方案。它通過計算材料內(nèi)最佳的傳力路徑，最終獲得具有最佳材料分布的優(yōu)化結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動的經(jīng)驗設(shè)計模式，實現(xiàn)了性能驅(qū)動的生成式設(shè)計，成為真正的正向設(shè)計模式。

就振動臺動圈骨架結(jié)構(gòu)而言，通過初步分析可以得出：豎向剛度的增加可以導(dǎo)致豎向共振頻率的增加?；诖苏J(rèn)識，利用GENESIS對骨架進(jìn)行拓?fù)湫蚊矁?yōu)化，目的是探索動圈骨架的合理材料分布，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)性概念設(shè)計方案。拓?fù)湫蚊矁?yōu)化的目標(biāo)是動圈骨架結(jié)構(gòu)的豎向剛度最大，質(zhì)量最小，約束是變形不大于原設(shè)計在相同載荷條件下的變形。其優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 拓?fù)湫蚊矁?yōu)化結(jié)果

    拓?fù)湫蚊矁?yōu)化結(jié)果可以給出后續(xù)的改進(jìn)方向。從拓?fù)湫蚊矁?yōu)化的結(jié)果可以看出：骨架的腹板中央和面板和外圍環(huán)板區(qū)域應(yīng)該減??；腹板外側(cè)和骨架底部環(huán)板區(qū)域應(yīng)該加厚。具體減薄、加厚的范圍以及板材尺寸則需要通過參數(shù)優(yōu)化獲得。

振動臺動圈骨架參數(shù)優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化只是給出結(jié)構(gòu)的最佳材料分布，但是結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計所需要的信息則需要通過參數(shù)優(yōu)化獲得，從而完成設(shè)計定型。

參數(shù)優(yōu)化的一般流程包括以下步驟：

參數(shù)化建模：包括參數(shù)化CAD模型（如尺寸參數(shù)）以及參數(shù)化有限元模型（如載荷工況條件參數(shù)化）；

參數(shù)敏感性分析：識別重要性參數(shù)，過濾無關(guān)參數(shù)，并建立高質(zhì)量響應(yīng)面，為后續(xù)快速優(yōu)化做準(zhǔn)備；

優(yōu)化分析：定義優(yōu)化目標(biāo)、約束條件，設(shè)定優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計算；

設(shè)計驗證：對最終的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行驗證性分析；

穩(wěn)健性可靠性評估：若對可靠性有要求，則進(jìn)行穩(wěn)健性可靠性分析與優(yōu)化。

具體到本動圈骨架結(jié)構(gòu)，參數(shù)化模型采用1/8周期對稱模型（這是為了在不影響效果的前提下提升效率）?；谏厦嫱?fù)湫蚊矁?yōu)化的概念設(shè)計，我們的參數(shù)化建模策略及參數(shù)化的參數(shù)如圖3所示。

圖3 振動臺動圈骨架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模

我們關(guān)心的響應(yīng)變量為振動臺動圈骨架的質(zhì)量和豎向一階共振頻率。參數(shù)優(yōu)化中的參數(shù)敏感性分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果：參數(shù)敏感性分析結(jié)果

從參數(shù)敏感性分析中我們可以獲得對響應(yīng)（骨架質(zhì)量和豎向一階共振頻率）影響較大的參數(shù)，而過濾掉那些對響應(yīng)影響很小的參數(shù)，從而實現(xiàn)參數(shù)空間降維，為后續(xù)優(yōu)化分析的精度和效率提供保障。在振動臺動圈骨架的優(yōu)化分析中，我們采用多目標(biāo)優(yōu)化策略，即響應(yīng)面結(jié)合遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化，其中優(yōu)化目標(biāo)為骨架質(zhì)量最小以及豎向一階共振頻率最大。多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果如圖5所示。具體的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果如下：優(yōu)化質(zhì)量為4.47kg（小于原始結(jié)構(gòu)的4.69kg）；豎向一階共振頻率為3059Hz（大于原始結(jié)構(gòu)的2798Hz）。我們在多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上對尺寸進(jìn)行了微調(diào)，并取消了腹板開孔，其最終的質(zhì)量為4.53kg，最終的豎向一階共振頻率為3158Hz。最終的設(shè)計模型如圖6所示。

圖5 參數(shù)優(yōu)化：多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

圖6 振動臺動圈骨架結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計模型

 振動臺動圈結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證

下面我們對振動臺動圈的性能指標(biāo)進(jìn)行評估，并與原始結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)進(jìn)行對比。

a. 振動臺動圈骨架的質(zhì)量
原設(shè)計的質(zhì)量為4.69kg，優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量為4.53kg，降低0.16kg。

b. 振動臺動圈的豎向一階共振頻率
原設(shè)計的豎向一階共振頻率為2798Hz，優(yōu)化設(shè)計的豎向一階共振頻率為3158Hz，頻率提升了360Hz。其結(jié)果如圖7所示。

圖7 豎向一階共振頻率對比

c.  振動臺動圈的Q值
相比于原設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計的豎向共振振幅Q值降低，帶寬增加，性能提升，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 振動臺動圈結(jié)構(gòu)的豎向共振振幅Q值對比

d.   振動臺動圈的橫向位移振幅
振動臺動圈的橫向位移振幅結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看到，優(yōu)化設(shè)計的橫向位移振幅小于原設(shè)計的橫向位移振幅，性能提升。

圖9 振動臺動圈結(jié)構(gòu)的橫向位移振幅對比

e.   振動臺臺面共振振幅
振動臺臺面共振振幅的結(jié)果如圖10所示，從圖中可以看到，優(yōu)化設(shè)計的臺面豎向共振位移振幅小于原設(shè)計的臺面豎向共振位移振幅，表明振動臺的均勻度性能提升。

圖10 振動臺臺面的豎向共振振幅對比

f.  共振等效應(yīng)力水平
振動臺動圈結(jié)構(gòu)的共振等效應(yīng)力水平的結(jié)果如圖11所示，從圖中可以看到，優(yōu)化設(shè)計的共振等效應(yīng)力水平低于原設(shè)計的共振等效應(yīng)力水平，表明振動臺動圈結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在振動時更安全。

圖11 振動臺動圈結(jié)構(gòu)的共振等效應(yīng)力水平對比

從上述振動臺動圈結(jié)構(gòu)的各個主要性能指標(biāo)的對比結(jié)果來看，動圈骨架結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化設(shè)計全面優(yōu)于原設(shè)計。

結(jié)論

     本文首先簡要闡述了面向3D打印-增材制造的先進(jìn)設(shè)計的理念和實現(xiàn)手段，并將其應(yīng)用于某型號振動臺動圈骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。基于先進(jìn)設(shè)計理念及其基本流程而獲得的某型號振動臺動圈骨架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，在其質(zhì)量不高于原設(shè)計質(zhì)量的情況下，其所有主要性能指標(biāo)全面優(yōu)于原設(shè)計的相應(yīng)性能指標(biāo)，這表明面向3D打印-增材制造的先進(jìn)設(shè)計理念及其相應(yīng)的設(shè)計流程和實現(xiàn)手段是可行的，有效的，其全面應(yīng)用于與3D打印-增材制造有關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計將會在未來的設(shè)計和制造中起到越來越重要的作用。