創(chuàng )(chuàng)成式設(shè)計（Generative Design）是一種參數(shù)化3D建模方式，在設(shè)計的過(guò)程中，當設(shè)計師輸入產(chǎn)(chǎn)品參數(shù)之后，算法將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整判斷，直到獲得最優(yōu)(yōu)化的設(shè)計。創(chuàng )(chuàng)成式設(shè)計可以幫助設(shè)計師優(yōu)(yōu)化零件強度重量比，可以模仿自然結(jié)構(gòu)發(fā)(fā)展的方式，創(chuàng )(chuàng)造出最強大的結(jié)構(gòu)，同時(shí)最大限度地減少材料的使用。

圖：創(chuàng )(chuàng)成式設(shè)計

在3D打印領(lǐng)(lǐng)域，最為經(jīng)(jīng)典的創(chuàng )(chuàng)成式設(shè)計作品是A320飛機開(kāi)發(fā)(fā)的一個(gè)大尺寸的“仿生力學(xué)(xué)”的機艙隔離結(jié)構(gòu)件?？紤]到每家飛機的服役情況，這將累計帶來(lái)高達96000噸的二氧化碳排放量的減少。這一案例顯示了創(chuàng )(chuàng)成式與3D打印制造技術(shù)(shù)結(jié)合起來(lái)所釋放的潛力前景：更輕、更強、能源消耗更少的下一代產(chǎn)(chǎn)品時(shí)代正在到來(lái)。

圖：A320機艙隔離結(jié)構(gòu)件

而為了給電動(dòng)汽車(chē)減重，通用汽車(chē)正在采用創(chuàng )(chuàng)成式設(shè)計軟件對車(chē)內(nèi)零部件進(jìn)行優(yōu)(yōu)化設(shè)計，通過(guò)座椅支架的減重揭示了3D打印對于零件潛在質(zhì)(zhì)量和強度改進(jìn)的潛力。

圖：通用汽車(chē)的創(chuàng )(chuàng)成式設(shè)計座椅支架

當然，創(chuàng )(chuàng)成式軟件所設(shè)計出來(lái)的零件多種多樣，每種零件的性能各不相同，具體選擇哪一種設(shè)計，這時(shí)候仿真就發(fā)(fā)揮了無(wú)需真正制造出來(lái)而對設(shè)計實(shí)現(xiàn)比較的便利性。

2019年TCT展會(huì )上展出的創(chuàng )(chuàng)成式輪轂樣品，來(lái)源安世亞太

那么接下來(lái)通過(guò)CAE仿真分析來(lái)揭示輪轂的結(jié)構(gòu)受力狀況，從而直觀(guān)的領(lǐng)(lǐng)略創(chuàng )(chuàng)成式軟件所設(shè)計的兩種不同方案的輪轂的不同之處。

帶蜂窩設(shè)計的結(jié)構(gòu)與不帶蜂窩設(shè)計的結(jié)構(gòu)

創(chuàng )(chuàng)成式輪轂方案1的結(jié)構(gòu)是蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，且每個(gè)輪輻都呈現(xiàn)出樹(shù)狀的設(shè)計思路。

創(chuàng )(chuàng)成式輪轂方案1的結(jié)構(gòu)及剖面圖和局部細節(jié)圖，來(lái)源安世亞太

而創(chuàng )(chuàng)成式輪轂方案2的結(jié)構(gòu)是另外一種設(shè)計思路，沒(méi)有蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。這兩種方案的受力狀態(tài)(tài)如何，孰優(yōu)(yōu)孰劣讓我們通過(guò)對其CAE仿真分析進(jìn)行驗證。

輪轂有限元模型建立

本次分析采用四面體單元以3mm大小進(jìn)行網(wǎng)(wǎng)格劃分，同時(shí)為了體現(xiàn)輪轂的局部特征，在圓角等特征處對網(wǎng)(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，見(jiàn)圖4和圖5所示。方案1和方案2的單元數(shù)分別為339萬(wàn)和217萬(wàn)，主要是由于方案1的輪轂有許多的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，單元在蜂窩狀處比較密集。本次材料選用了304L stainless steel進(jìn)行分析，其屈服強度和抗拉強度分別為577MPa和579MPa，其參數(shù)來(lái)自于增材制造材料庫。

創(chuàng )(chuàng)成式輪轂方案1的網(wǎng)(wǎng)格模型及局部網(wǎng)(wǎng)格細節(jié)，來(lái)源安世亞太

創(chuàng )(chuàng)成式輪轂方案2的網(wǎng)(wǎng)格模型及局部網(wǎng)(wǎng)格細節(jié)，來(lái)源安世亞太

分析依據(jù)：GB/T 5334-2005 乘用車(chē)車(chē)輪性能要求及試驗方法，采用線(xiàn)性靜強度仿真分析。

分析工況：彎曲工況和徑向工況

彎曲工況：采用車(chē)輪的最大負荷為600kg進(jìn)行計算，施加的彎矩為2062Nm，力臂為0.6m,加載力為3437N。在輪輞的內(nèi)側(cè)邊緣位置施加全約束。

徑向工況：徑向加載為13230N，在120°按余弦分布進(jìn)行加載，同時(shí)考慮輪胎充氣壓力250kpa。在輪轂的5個(gè)安裝螺栓處施加全約束。

計算結(jié)果及分析

（1）彎曲工況

在彎曲工況下，方案1和方案2輪轂的最大應(yīng)力分別為218MPa和339MPa，其屈服安全系數(shù)分別為2.65和1.70，兩種設(shè)計方案都能滿(mǎn)足彎曲工況下靜強度要求，具體可參見(jiàn)下圖所示。

方案1輪轂的彎曲工況下應(yīng)力云圖，來(lái)源安世亞太

方案2輪轂的彎曲工況下應(yīng)力云圖，來(lái)源安世亞太

（2）徑向工況

在徑向工況下，方案1和方案2輪轂的最大應(yīng)力分別為155MPa和112MPa，其屈服安全系數(shù)分別為3.72和5.15，兩種設(shè)計方案都能滿(mǎn)足徑向工況下靜強度要求，具體可參見(jiàn)圖8和圖9所示。

方案1輪轂的徑向工況下應(yīng)力云圖，來(lái)源安世亞太

方案2輪轂的徑向工況下應(yīng)力云圖，來(lái)源安世亞太

通過(guò)CAE仿真分析手段，能夠快速獲得設(shè)計人員提供的創(chuàng )(chuàng)成式輪轂不同方案在不同工況下的應(yīng)力情況和屈服安全系數(shù)，了解不同方案的優(yōu)(yōu)缺點(diǎn)，對方案的選型和后期的制造都有很大的指導(dǎo)意義。

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)(wǎng)