专栏 l 个性化设计、参数控制变化、轻量化,三大案例看创成式设计的应用价值

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创成式设计(Generative Design)是通过编写算法和程序来设计的过程,是一个人机交互、自我创新的过程,具体来说由设计师选择生成模型的策略、编写算法,以人机交互的参数化建模,根据客观的设计目标,结合仿真、优化方法,直到获得最优化的设计。

创成式设计能够创造出手动建模所不易获得的设计方案,它们拥有复杂几何结构,而增材制造技术在工业制造中的应用优势之一是制造复杂的结构,可以说创成式设计与增材制造技术是天生的“好伙伴”,创成式设计将进一步释放增材制造的应用潜能。

上一期.专栏文章《专栏 l 创成式设计综述-软件应用》,介绍了创成式设计的软件实现。本期,谷.专栏文章将分享三大应用案例,分别从实现大批量个性化设计、参数变化控制晶格形状变化、实现轻量化设计,三个角度来诠释创成式设计的应用价值。

block 轮毂大批量个性化定制

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在过去的100年里发展起来的大规模生产满足了大众的各种基本需求,以牺牲个性化换来低成本。以汽车为例,大规模生产使得家家户户都能够买得起车,汽车作为交通工具的基本功能得以实现。但是,除此之外,人们其实还有更高级的需求,如:对美的追求,希望与众不同,彰显个性。

但在大规模生产条件下,这些需求被大大地压缩,人们只能从有限的选项(如:几种颜色、几种材质、几款样式等)中去选择,满足个性化需求,对于大众来说,几乎是不可能的。基于传统制造工艺和传统设计方法的个性化定制就是“昂贵”的代名词,它意味着要有设计师专门进行个性化设计,制造商要进行单件制造,而单件制造的费用可能与100件甚至1000件一样,而设计师的的设计费用更是可能高至天价。

现在,随着增材制造技术和工艺的日益成熟,增材制造生产1000件不同的产品和生产1000件相同的产品,成本几乎不会增加,这为大规模个性化定制的实现提供的必要条件。但还不够,还缺乏一个充分条件——高效而成本低的个性化设计 。传统的基于设计师手绘式设计+手工CAD建模的设计方式设计的是单一模型,有多少个性化需求,设计师就得做多少个设计,这无论从设计师数量还是设计灵感上都是无法达到的。

而创成式设计正是这种高效、低成本个性化设计的实现方式,它不再依赖手工建模创建单一模型,而是基于规则编写算法生成模型,一套规则可以生成无数种模型。设计师的任务已经变为创建规则,编写设计程序了,生成模型的任务交给计算机自动完成。最终的个性化模型是由一组合适个性化的参数或条件来确定的。有了创成式设计加上增材制造工艺,就已经具备了大规模个性化定制的充要条件。

接下来,我们以汽车轮毂的个性化设计为例,看看如何应用创成式设计和增材制造实现大规模个性化定制。

汽车轮毂是最体现汽车个性化的部件之一,对轮毂的需求既有美观,又有性能、轻量化、节能等各个方面。许多爱车的朋友购车后都会进行轮毂改装,在改进性能的同时,彰显自己的与众不同。轮毂设计既有需要标准化的部分,也有可发挥创造力的造型设计,但是无论造型如何变化,满足力学性能的设计目标不能变。

首先,标准化的轮辋部分,可以通过参照标准中提供的几何关系建立编程规则,通过编程实现轮辋的参数化建模。

Pera_Wheel hub-1图 1 轮辋参数化模型。来源:安世亚太

再来看轮辐的创成式设计,我们可以通过定义几何关系来确定模型生成规则。

如果定义一种这样的几何关系:轮辐为成组的分支结构,分支节点位于一系列同心圆上,层间可以扭转,分组数、分支层数、扭转角、同心圆半径分别为在一定范围内可变的参数。那么,当我们改变任意参数的时候,就会生成不同的结果。

假设分组数可取10个数值、分层数可取4个数值、扭转角可取20个数值、同心圆半径组合可取50种,扭转范围可取10种组合的话,那么生成的结果将会有400,000种。在此仅展示其中的几十种,如图2所示。这里描述的规则示例,只是一类规则,我们还可以创建其他形式的规则,以生成不同于分支结构的风格样式。

Pera_Wheel hub-2图 2 轮辐的创成式设计。来源:安世亚太

创成式设计非常灵活,根据轻量化目标,可以加入镂空的结构元素,如图3所示。这些镂空元素也是随着轮辐形式以及轮毂规格的变化,按照规则自动生成的。

Pera_Wheel hub-3图 3 轮毂的轻量化结构。来源:安世亚太

创成设计过程关注的是需求、功能、性能等需求,得到的复杂结果,可以通过增材制造制造出来,并且几乎不会因为复杂性而增加成本。根据用户的喜好,每一款轮毂的样式都可以不同,无论小批量定制,还是大规模定制化,单件制造成本几乎不受制造数量的影响。

Pera_Wheel hub-4图 4 增材制造的轮毂。来源:安世亚太

未来的个性化创成式设计可以是用户参与的。设计师设计的不同类别风格的程序打包后发到互联网上,开放一些参数给用户,由用户自主调节,即用户参与的创成式设计,随着用户改变参数,结果千变万化,选定样式、材质等,完成在线定制下单。用一个公式描述就是:创成式设计+增材制造=你参与设计+为你制造= 100%用户满意+ 尊享体验。

block 创成式变晶格设计

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形状变化可以由参数的变化来控制。如果设计巧妙,一个参数就可以生成复杂的变化

以图5的实例为例来看,在一个四边形中,我们取一个顶点和与其相邻的两边上的中点,该顶点与四边形的中心点连接直线,在直线上取一点,与上述相邻两边的中点构成的3个点生成一条NURBS曲线,我们可以用一个参数来确定直线上点的位置,当改变参数时,点随之移动,相应地NURBS曲线也随之改变。

Pera_Wheel hub-5图 5 创成式设计变晶格。来源:安世亚太

可以将这种变化扩展到整个四边形以及六面体上,观察基于NURBS曲线生成的晶胞随参数的变化,再扩到多个晶格阵列时,观察晶格随参数的变化。如果把这个参数和晶格单元中心点所在的位置的坐标关联起来,以某种规律和数学方程求出参数变化规则来控制阵列中的每个晶格的形状和填充率,就会产生比较奇妙的变化。

block 无人机轻量化设计

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无人机除了最早军事领域的应用外,在工业和商用领域也愈发值得关注,这是由于无人机能够访问人类(或其他种机器)根本无法进入的地方。例如人道主义组织和救援服务机构已经在利用无人机对自然灾害发生后交通阻断的地区进行调查,其他采用无人机的行业包括农业、采矿、石油/天然气和建筑等等,物流/配送也是一个非常引人注目的领域。

更多更广泛领域的应用,则需要无人机在大载重、长航时上有更大的突破。通常除了考虑运行环境外,尺寸和重量是影响无人机飞行的两个重要因素,也是影响载重和长航时的重要因素。一般来说自重越轻,相对可以增加载重量。

Pera_Wheel hub-8图 6 无人机架创成式设计。来源:安世亚太

本案例中对无人机架的设计主要目标即在不影响无人机各项飞行能力情况下,减小无人机自重。

无人机原始设计是采用注塑壳体,重量较重。其中旋转机翼、电池仓等位置及尺寸是确定的,无其他约束。底面考虑携带其他物体,做了分级Voronoi。采用创成式设计实现轻量化时,无人机采用框架结构,框架的形状由几个参数确定,改变参数时,模型自动重新生成。

writer

张效军

机械电子工程专业工学硕士,中国机械工程学会 注册机械设计工程师,高级工程师。现任安世亚太公司先进设计与制造高级技术专家、创新咨询专家。

具有14年教师工作经历,10年企业产品研发经验,9年创新咨询、设计方法研究经历。多项专利的第一发明人,所获得的多项专利均已成功应用在产品上;其中CN102141507A使产品的关键指标的合格率从原来的不足10%提高到95%以上,并且实现了全自动调校,并且没有增加成本。

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