DfAM（增材设计）底层通用技术之拓扑优化设计

DfAM（Design for Additive Manufacturing, 简称增材设计），是应用于增材制造工艺的可制造性设计，可实现对增材制造过程中的零件、组件甚至系统进行重新设计，已经成为基于增材制造思维的先进设计与智能制造的全新设计范式。

DfAM的核心技术是仿真驱动的优化设计技术，包括创成式设计技术、拓扑优化设计技术、点阵设计技术、参数优化技术、仿真分析技术等。

其中，拓扑优化应用于产品的概念设计阶段，用于优化材料的合理分布以及获得最佳传力路径。本期将要分享的即为DfAM 的底层通用技术-拓扑优化设计。

实现真正的正向设计模式

拓扑优化设计属于概念设计，基于减材设计理念，通过计算可挖除的材料区域来确定最佳的材料分布，基于拓扑优化可以形成非常富有想象力的颠覆性设计方案，使得全新的设计思想和创新型的设计方案能够通过增材制造得到实现。

拓扑优化可以帮助确定结构的最佳材料分布，在进行拓扑优化的时候可以考虑结构静力学或者动力学条件、多工况、多目标、多约束条件、以及工艺约束条件等，基于已知的设计空间确定刚度最大、质量最小或者体积最小等优化目标，通过计算材料内最佳的传力路径、优化单元密度确定可以挖除的材料，从而获得结构设定区域内最佳的材料分布。拓扑优化革新了传统的功能驱动的经验设计模式，实现了性能驱动的生成式设计，成为真正的正向设计模式。

广义的拓扑优化还包括其它结构优化技术：形状（形貌）优化和尺寸优化。形状优化以有限元模型节点为对象，节点位置是设计变量，通过节点位置的变化优化结构外形；形貌优化是形状优化的一个特殊情况，可以生成加强筋。尺寸优化以有限元模型单元为对象进行优化，用于薄壁或者细长结构的优化，其设计变量是单元的截面尺寸，如梁横截面尺寸或薄壳厚度等。

拓扑优化仅给出材料分布的概念设计，还需要针对拓扑优化结果进行处理。后拓扑结构设计借助于专业的模型处理技术，最大限度地保留拓扑优化的结构特征，考虑美学、力学甚至装配要求，将其转换为可用的设计方案并形成有效的CAD模型。后拓扑模型处理的关键步骤包括：

• 拓扑优化结果输出STL格式；
• 在后拓扑处理环境中进行片体模型处理，如清理、修复、光顺、调整、分析等；
• 将STL模型转换为CAD实体几何模型；
• 基于实体模型直接建模操作，如拉伸、移动、建模等；
• 当有参数优化需要时，对关键尺寸进行参数化。