拓撲優化:如何使用演算模型創造輕量設計

好的設計如何滿足功能?隨著電腦輔助設計 (CAD)不斷發展和3D列印等先進製造技術的普及,製作複雜零件變得比以往來得容易,設計師和工程師可以利用拓撲優化軟體來突破限制並找新方法來實現最大化設計效益。

從本篇文章了解拓撲優化的基礎知識、其優勢和應用,以及您可以從哪些軟體工具開始使用。

什麼是拓撲優化?

拓撲優化 (TO) 是一種形狀優化方法,它使用演算法模型針對一組給定載荷、條件和限制的用戶定義空間優化其材料佈局。TO透過從不需承載主要負載的區域去除多餘材料,以減輕重量或解決設計挑戰(如減少共振或熱應力),使設計性能和效率最大化。

使用拓撲優化產生的設計通常包括不規則形和複雜或難以用傳統製造方法生產的形狀。然而,TO 設計非常適合使用積層製造,它擁有更自由的設計規則,且可輕鬆複製生產複雜形狀而無需額外成本。

拓撲優化與生程式設計

生成式設計和拓撲優化已成為 CAD 設計領域的流行語,但人們普遍誤解它們是同義詞。 

拓撲優化這個名詞其實並不新鮮,它已經存在至少 20 年,並且已廣泛用於常見的 CAD 軟體工具中。其流程的開始需要由工程師製作 CAD 模型,在考慮項目參數的情況下應用載荷和限制。接著,軟體會刪除多餘的材料並生成一個供工程師評估的優化網格模型概念。換句話說,拓撲優化從一開始就需要一個人工設計的模型來進行發揮,從而限制了過程、結果及規模。 

在某種程度上,拓撲優化是生成式設計的基礎。生成式設計更進一步消除了對初期人工設計模型的需求,根據預訂的限制條件做為設計師的角色。

拓撲優化的工作原理

當物件有減輕重量或使用更少材料的需求,拓撲優化通常在設計結束時進行,。設計師接著尋找特定的預設參數,例如負載、材料類型、限制和佈局。

結構性拓撲優化首先確定產品形狀優化所需的最小允許設計空間。接著,拓撲優化軟體會模擬從不同角度對設計施加壓力,測試其結構完整性,並辨識出不必要的材料。 

拓撲優化工作流程

拓撲優化最常見和最實用的技術是有限元素法(FEM)。首先,FEM考慮最小空間允許的幾何設計及其他因素,並將設計分解為多個部分。它接著測試每個有限元素的硬度、合規性和多餘材料。最後,FEM 將零件重新組合以完成完整的設計。

驗證設計包含測量介於 0 和 1 之間的元素密度臨界值。臨界值 0 會使結構的指定區域的材料空洞,而臨界值 1 則將指定區域設定為固體材料。設計人員可以去除模型中不必要的材料,最終確定設計的拓撲優化部分。

在積層製造之以前,設計師放棄將許多複雜設計進行拓撲優化,因為它們難以製造,且其潛力尚未被發覺。

 

拓撲優化的優勢

工程師需要一個好理由來擺脫過去傳統的設計和製造方法。如果創新的設計沒有降低成本、運作更好或節省時間,製造商將看不到改變的理由。讓我們來看看拓撲優化的好處。

省錢

許多拓撲優化的複雜幾何形狀,讓傳統製造實行的生產成本高到難以實現。但當與3D列印結合使用時,這種複雜性並不會產生額外成本。

製造 3D 列印物件的生產成本仍然高於未優化的傳統製造物件,但這些輕量化設計可以透過其他方式為製造商節省更多成本:

  • 由於摩擦力較低(飛機、汽車),使物件運動所需的能量更少,因此燃油效率更高
  • 降低包裝和運輸成本
  • 裝配產線所需的重型機械更少

解決設計挑戰

拓撲優化可以解決設計過程中的常見挑戰,例如:

  • 當系統中的形狀所許可的力壓迫系統時,就會發生共振。這會導致機械變形、機械結構減少和污染排放。
  • 熱應力是材料溫度的任何變化—由於摩擦或其他因素導致系統內產生熱疲勞和變形。

有時,設計優化包含相互競爭的目標函數,例如尺寸優化和重量。例如,航空用物件受益於重量輕,但也必須承受巨大的扭矩、壓力和高溫。演算法可以考慮這些目標函數並平衡設計,找到最佳點。

省時

雖然使用拓撲優化軟體需要大量專業知識,但 TO 工具可以快速生成工程師無法手動創造的高性能設計。這意味著在 CAD 設計中花費的時間和精力更少,並且透過更少的設計迭代獲得可靠的最終結果。

在零件製造方面,積層製造工藝也可以快速完成最終零件的生產,因為它們不需要加工,而傳統製造方法可能需要數週或數月才能交付。

減少環境影響

製造更小、更輕量的產品以減少製造商整體的碳足跡,首先需要使用更少的建築材料。與傳統的減材製造工具相比,透過積層工藝生產的零件大多也使用更少的原料並產生更少的浪費。

一般來說,最顯著的節省發生於零件的使用期間。例如,飛機的輕量零件透過減少燃料消耗來減少對環境的影響。

消除錯誤

從根本上說,拓撲優化是為了消除錯誤。透過進行壓力測試,該過程考量了廣泛的變因,並避免可能導致產品出現故障的風險假設。

拓撲優化的應用

拓撲優化技術實現的高性能、高效益和輕量化設計廣泛適用於各行業。 

航空

由於輕量化的重要性,拓撲優化與航空工程和航空學是天生一對。例如,TO 已用於改進機身結構的佈局設計,例如飛機的強化肋架或支架。

除了實現結構輕量化外,拓撲優化還有助於釋放先進製造技術的潛力,例如在該領域越來越受歡迎的積層製造或複合材料。 

Airbus A380機翼組件進行拓撲優化

汽車

在汽車行業,拓撲優化平衡了輕量化物件對燃油效率和動力需求,以及能夠承受扭力和衝擊的車身穩定性和強度。 

除了節省質量外,拓撲優化還可以透過界定結構在事故中倒塌的方式來提高乘客安全。

用金屬3D列印製造的輕量化拓撲優化機車車架

醫療

積層製造是製造醫療植入物的理想選擇,因為它使醫療專業人員能夠創造自由不受限的形狀、表面及多孔結構。由於拓撲優化,這些設計可以具有更輕的晶格結構,提供更好的骨整合,並且比其他植入物使用壽命更長。

TO 工具還可以用於優化可生物降解支架的組織工程、多孔植入物和輕型骨科的設計。納米技術應用——例如細胞操作、手術、微流體和光學系統——也可以使用拓撲優化。 

金屬積層製造所生產的頭殼植入物。來源Autodesk

拓撲優化軟體

設計師們逐漸認識到拓撲優化的多功能性、速度和強大功能。軟體公司也透過提供必要的工具包來因應,無論是從他們現有的產品或是新軟體的解決方案。

以下是一些拓撲優化軟體的例子:

  • nTopology提供“獨特的生成式設計和自動化功能工具集”,透過結合進階幾何、模擬和實驗數據來加速設計過程。它的幾何引擎適用於各種應用,從航空航天和汽車到足球頭盔的設計,再到醫療領域的患者專用設備。
  • SOLIDWORKS Simulation Solutions在其結構分析工具中具有拓撲優化功能,並提供多種方法將這些優化的設計帶回 CAD 環境。
  • Autodesk Fusion 360雲端基礎的 CAD 平台提供形狀優化和進階功能,以支持在傳統和數位製造工具(如 3D 列印)上進行製造設計驗證。
  • Creo 7.0生成式設計軟體包括生成拓撲優化擴展,讓使用者能夠考慮產品限制和需求,並「快速探索創新設計選項以減少開發時間和費用」。
  • Altaire OptiStruct集結了結構優化和分析。它專注於輕量化和結構效率,在設計晶格結構時採用了專有的拓撲優化方法。其集結的多物理場環境(包括熱傳、振動和聲學、轉子動力學以及硬度和穩定性)有助於消費電子、航空建模和醫療技術等領域的設計。
  • Tosca Structure在 FEA 軟體中運作,擁有逼真的仿真模型,能夠快速可靠地更改幾何形狀。它的變形能力允許在現有的有限元素混搭中進行形狀優化,省略中間步驟,這對於機械結構的設計者來說尤其重要。

創新的嶄新未來

越來越多工程師使用創新的方法來設計原型、機器零件和消費品。 

演算設計和 3D 列印技術攜手並進,製造商無需再支付高昂的成本。探索 Formlabs 3D列印解決方案,將您的設計提升到新的水平。

 

立即諮詢