创成式设计（Generative Design）是一种参数化建模方式，在设计的过程中，当设计师输入产品参数之后，算法将自动进行调整判断，直到获得最优化的设计。创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。

图：创成式设计

在3D打印领域，最为经典的创成式设计作品是A320飞机开发的一个大尺寸的“仿生力学”的机舱隔离结构件。考虑到每家飞机的服役情况，这将累计带来高达96000吨的二氧化碳排放量的减少。这一案例显示了创成式与3D打印制造技术结合起来所释放的潜力前景：更轻、更强、能源消耗更少的下一代产品时代正在到来。

图：A320机舱隔离结构件

而为了给电动汽车减重，通用汽车正在采用创成式设计软件对车内零部件进行优化设计，通过座椅支架的减重揭示了3D打印对于零件潜在质量和强度改进的潜力。

图：通用汽车的创成式设计座椅支架

当然，创成式软件所设计出来的零件多种多样，每种零件的性能各不相同，具体选择哪一种设计，这时候仿真就发挥了无需真正制造出来而对设计实现比较的便利性。

图1 ：2019年TCT展会上展出的创成式轮毂样品，来源安世亚太

2019年2月21日-23日在上海新国际博览中心举办的2019TCT展会上，安世亚太携手杭州德迪和重庆安德瑞源展出了两款创成式轮毂的3D打印产品，吸引了汽车行业的很大兴趣。

那么接下来通过CAE仿真分析来揭示轮毂的结构受力状况，从而直观的领略创成式软件所设计的两种不同方案的轮毂的不同之处。

 带蜂窝设计的结构与不带蜂窝设计的结构

创成式轮毂方案1的结构是蜂窝状的结构，且每个轮辐都呈现出树状的设计思路。

图2：创成式轮毂方案1的结构及剖面图和局部细节图，来源安世亚太

而创成式轮毂方案2的结构是另外一种设计思路，没有蜂窝状的结构。这两种方案的受力状态如何，孰优孰劣让我们通过对其CAE仿真分析进行验证。

 轮毂有限元模型建立

本次分析采用四面体单元以3mm大小进行网格划分，同时为了体现轮毂的局部特征，在圆角等特征处对网格进行了加密处理，见图4和图5所示。方案1和方案2的单元数分别为339万和217万，主要是由于方案1的轮毂有许多的蜂窝状结构，单元在蜂窝状处比较密集。本次材料选用了304L stainless steel进行分析，其屈服强度和抗拉强度分别为577MPa和579MPa，其参数来自于增材制造材料库。

图4：创成式轮毂方案1的网格模型及局部网格细节，来源安世亚太

图5：创成式轮毂方案2的网格模型及局部网格细节，来源安世亚太

分析依据：GB/T 5334-2005 乘用车车轮性能要求及试验方法，采用线性静强度仿真分析。

分析工况：弯曲工况和径向工况

弯曲工况：采用车轮的最大负荷为600kg进行计算，施加的弯矩为2062Nm，力臂为0.6m,加载力为3437N。在轮辋的内侧边缘位置施加全约束。

径向工况：径向加载为13230N，在120°按余弦分布进行加载，同时考虑轮胎充气压力250kpa。在轮毂的5个安装螺栓处施加全约束。

 计算结果及分析

（1）弯曲工况

在弯曲工况下，方案1和方案2轮毂的最大应力分别为218MPa和339MPa，其屈服安全系数分别为2.65和1.70，两种设计方案都能满足弯曲工况下静强度要求，具体可参见图6和图7所示。

图6：方案1轮毂的弯曲工况下应力云图，来源安世亚太

图7：方案2轮毂的弯曲工况下应力云图，来源安世亚太

（2）径向工况

在径向工况下，方案1和方案2轮毂的最大应力分别为155MPa和112MPa，其屈服安全系数分别为3.72和5.15，两种设计方案都能满足径向工况下静强度要求，具体可参见图8和图9所示。

图8：方案1轮毂的径向工况下应力云图，来源安世亚太

图9：方案2轮毂的径向工况下应力云图，来源安世亚太

通过CAE仿真分析手段，能够快速获得设计人员提供的创成式轮毂不同方案在不同工况下的应力情况和屈服安全系数，了解不同方案的优缺点，对方案的选型和后期的制造都有很大的指导意义。

李新路
车辆工程专业，硕士学位，10多年的汽车行业CAE仿真分析经验，参与并实施了多个国内汽车整车及零部件的仿真分析咨询项目，积累了大量的工程仿真分析项目经验，专长汽车行业内结构CAE分析、整车碰撞分析、乘员约束系统分析、NVH分析以及新能源汽车电池包CAE分析等；同时目前主要参与了多个增材设备结构仿真分析项目。

文章来源：安世亚太

资料下载，请加入3D科学谷3D产业链QQ群：529965687
更多信息或查找往期文章，请登陆www.51shape.com,在首页搜索关键词
网站投稿请发送至2509957133@qq.com

根据通用汽车，在开发包括替代推进和零排放在内的新汽车产品时，增材制造和创成式设计是“关键技术”，Autodesk的创成式设计软件将使通用汽车超越传统设计所难以实现的重量减轻目标。

创成式设计通过工程师定义设计参数，如材料、尺寸、重量、强度、制造方法和成本约束，然后基于算法输出符合这些标准的多个设计选项。

然后设计师和工程师可以检查每个选项并选择最符合其规定要求的设计。通过立即自动生成许多不同的设计，创成式设计软件可以使设计人员和工程师免于重复性设计任务，并使他们专注于更高价值的决策选择，包括最大限度地提高零件性能。

在最初的概念验证项目中，通用汽车和欧特克在通用汽车密歇根州沃伦技术中心重新设计了汽车座椅支架 – 座椅安全带固定部位。

一旦确定了设计参数（包括所需的连接点，强度和质量），欧特克的软件就产生了超过150种有效的设计选项，新设计比原来的部件轻40％，强20％，并将八个不同的部件整合到一个增材制造部件中。

通过座椅支架的减重揭示了3D打印对于零件潜在质量和强度改进的潜力。或许凭借这项技术，我们将进入一个电动和自动驾驶汽车时代的深远变革。

当然，3D打印对于通用汽车来说并非是新鲜事物，通用汽车已使用增材制造用于产品开发三十多年，并且在过去的十年中使用3D打印技术生产了超过250,000个原型。

而关于通用汽车和欧特克的合作，两家公司表示他们将开展涉及创成式设计、增材制造和材料科学的深入合作。通用汽车将继续使用一系列欧特克设计软件，包括用于访问其创成式设计技术的Fusion 360 Ultimate软件包，用于晶格优化和金属增材制造模拟的Autodesk Netfabb，以及该公司的Alias，Recap Pro和Meshmixer等软件。

根据欧特克制造和建筑产品高级副总裁Scott Reese，从创成式设计中所获得的好处远不止轻量化，创成式设计与3D打印技术的结合将原来的许多零部件合并为一体，并且能够显着压缩产品开发过程。工程师可以获得数百个可供制造的设计选项，这些选项是他们无法手动设计的，而且只需要花费一小部分时间来验证单一设计，结构一体化带来供应链的压缩和组装成本的降低。

关于电动车制造的增材与减材技术，3D科学谷正在与中国3D打印文化博物馆合作，携手德国Fraunhofer研究机构、盖世汽车中国研究院以及国内外汽车增材制造领域的专家在2018年6月1日上海举办AME(additive manufacturing excellence)3D打印卓越论坛系列之聚焦新能源汽车，敬请关注后续活动详细信息。

资料下载，请加入3D科学谷3D产业链QQ群：529965687
更多信息或查找往期文章，请登陆www.51shape.com,在首页搜索关键词
网站投稿请发送至2509957133@qq.com