『安世亚太官方』安世亚太带您走进3D打印时代：增材制造的先进设计案例与完整流程( 二 ) ：安世亚太带您走进3D打印时代：增材制

后拓扑模型结构设计需要可对片体模型进行处理和逆向工程操作的软件工具，如ANSYSSpaceclaim、Materialise3-Matic等。
点阵结构的设计与拓扑优化可以实现流程上的集成，基于拓扑优化可以实现点阵结构的优化设计，以ANSYSTopology为例，基于选定的点阵结构类型，拓扑优化可以对点阵结构密度进行优化，基于优化的点阵结构密度， ANSYSSpaceclaim自动生成变密度的点阵结构。

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图：点阵结构优化，来源安世中德
点阵结构设计需要专业的设计软件来完成，例如ANSYSSpaceclaim和Materialise3-Matic均提供了多种内置点阵结构，用户可以直接选择点阵结构类型自动完成选定区域的点阵设计，并通过参数来控制其填充率和尺寸。
设计验证与点阵结构分析
拓扑优化的设计方案需要应用仿真手段进行性能验证，包括结构力学性能、流体动力学性能等，这需要拓扑优化流程与仿真流程的集成与数据传递。根据3D科学谷，目前被应用的比较广泛的有限元分析软件主要来自ABAQUS、ANSYS、MSC等。常见的有限元软件包括MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NXNastran、Hypermesh、LUSAS、COMSOLMultiphysics、FEPG等等。

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图：拓扑优化到设计验证的无缝集成，来源安世中德
点阵结构方面，点阵结构由于其结构复杂性和庞大的构件数量而成为仿真的难点，尤其是点阵结构的优化设计技术是需要解决的一个问题。

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图：点阵结构多尺度分析基本流程，来源安世中德
在这方面，安世中德咨询有限公司开发了专门的集成于ANSYSWorkbench的点阵结构仿真分析模块LatticeSimulation 。其基本思想是以宏细观结合多尺度算法为基础的等效均质化力学方法。即基于细观分析方法（子胞分析）获取点阵结构宏观均质化力学特性，然后通过宏观分析对点阵结构进行等效模拟，再回到细观，基于宏观计算结果对点阵结构进行局部细节模拟。
点阵结构多尺度仿真分析关键技术环节包括：
Step1点阵结构胞元的确定。
Step2点阵结构胞元的均匀化分析以及点阵结构等效性质（等效弹性矩阵）的确定。
Step3针对实际工况，进行整体结构经等效均匀化后的计算，确定整体变形和应变。
Step4点阵结构胞元的局部应力分析（基于均质化应变确定点阵结构的强度）。
参数优化
拓扑优化后的结构设计流程进入设计验证阶段后，即进入了详细设计定型阶段，而结合参数优化技术进行设计定型，是一种更有效的详细设计手段。
参数优化的一般流程包括以下步骤：
Step1参数化建模：包括参数化CAD模型（如尺寸参数）以及参数化有限元模型（如载荷工况条件参数化）。
Step2参数敏感性分析：识别重要性参数，过滤无关参数，并建立高质量响应面，为后续快速优化做准备。
Step3优化分析：定义优化目标、约束条件，设定优化算法进行优化计算。
Step4设计验证：对最终的优化设计进行验证性分析。
Step5稳健性可靠性评估：若对可靠性有要求，则进行稳健性可靠性分析与优化。

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图：参数优化一般流程，来源安世中德
参数化建模是参数优化的基础，基于拓扑优化的设计方案实现参数化建模要求具备无参数模型的参数化转换工具，如ANSYSSpaceclaim ，可以基于任何无参数CAD模型进行直接参数化设计，为后拓扑参数化建模提供了便利，参数化模型可直接关联到ANSYSMechanical环境，并与ANSYS参数优化模块optiSLang实现双向关联，完成参数优化设计。