增材制造設計（Design for Additive Manufacturing，DfAM，簡稱增材設計），是應用于增材制造工藝的可制造性設計，可實現(xiàn)對增材制造過程中的零件、組件甚至系統(tǒng)進行重新設計，已然成為基于增材思維的先進設計與智能制造新一代造物革命下的全新設計范式。

增材設計的核心技術是仿真驅動的優(yōu)化設計，包括創(chuàng)成式設計技術、后拓撲結構設計技術、點陣設計技術、參數(shù)優(yōu)化技術、仿真分析技術等。其中，參數(shù)優(yōu)化應用于詳細設計階段，進行設計定型或者設計改進，如確定最優(yōu)尺寸、形狀等。

參數(shù)優(yōu)化

詳細設計階段的設計定型，利用參數(shù)優(yōu)化技術進行參數(shù)化建模和模型參數(shù)驅動分析是關鍵。參數(shù)優(yōu)化基于CAD/CAE雙向驅動參數(shù)化CAD模型，CAE軟件驅動CAD參數(shù)更新并通過CAE軟件進行設計方案的性能分析，結合特定的優(yōu)化算法獲取滿足優(yōu)化目標的設計方案。參數(shù)優(yōu)化技術通常包括：

（1）參數(shù)敏感性分析：通過量化指標確定設計參數(shù)對產(chǎn)品性能的重要性程度，完成重要參數(shù)識別和過濾。并應用擬合算法建立輸入輸出響應面，進行快速優(yōu)化。

（2）多學科多目標優(yōu)化：應用優(yōu)化算法，搜索滿足優(yōu)化目標的設計變量值，實際客戶需求往往要求的優(yōu)化目標可以是針對不同物理場或者學科的多個目標，故稱多學科多目標優(yōu)化。

（3）穩(wěn)健性可靠性評估與優(yōu)化：評估設計參數(shù)的波動對產(chǎn)品性能的影響，預測產(chǎn)品的失效概率并進行優(yōu)化。

參數(shù)優(yōu)化是詳細設計階段進行設計定型的重要技術，為了克服多學科非線性優(yōu)化中遇到的大量設計參數(shù)的困難，參數(shù)優(yōu)化可以進行參數(shù)敏感度分析、穩(wěn)健性評估、可靠性分析、多學科優(yōu)化、穩(wěn)健與可靠性優(yōu)化等等。

通過參數(shù)敏感性分析，在眾多參數(shù)中識別出影響性能的重要參數(shù)，過濾掉不重要的參數(shù)，建立響應面；通過多學科優(yōu)化，輸出滿足設計需求的設計參數(shù)；通過穩(wěn)健性、可靠性分析及優(yōu)化，評估離散參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響程度，從而實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化，對產(chǎn)品設計改進、定型，完成最終的詳細設計。

圖1 參數(shù)優(yōu)化技術

參數(shù)優(yōu)化的一般流程包括以下步驟：

（1）參數(shù)化建模：包括參數(shù)化CAD模型（如尺寸參數(shù)）以及參數(shù)化有限元模型（如載荷工況條件參數(shù)化）。

（2）參數(shù)敏感性分析：識別重要性參數(shù)，過濾無關參數(shù)，并建立高質量響應面，為后續(xù)快速優(yōu)化做準備。

（3）優(yōu)化分析：定義優(yōu)化目標、約束條件，設定優(yōu)化算法進行優(yōu)化計算。

（4）設計驗證：對最終的優(yōu)化設計進行驗證性分析。

（5）穩(wěn)健性可靠性評估：若對可靠性有要求，則進行穩(wěn)健性可靠性分析與優(yōu)化。

圖2 參數(shù)優(yōu)化流程

應用案例

3.1 吞沫機螺旋葉片管道優(yōu)化設計

吞沫機是依據(jù)流體力學、等速螺線、空吸作用以及射流原理設計而成。當具有一定壓強的氣流通過螺旋葉片管道后按特定的方向流動并通過吞沫機的噴腔裝置時，在吞沫機周圍形成一個負壓區(qū)，大量擠壓在吞沫機周圍的泡沫，在負壓所形成的空吸作用下，通過各環(huán)形吸沫口被吸入該機管腔，在空氣動力的作用下將泡沫擊碎霧化。液體沿著射流方向與罐內原料液溶為一體，氣體則沿著排氣管道排出罐外。

針對自動吞沫機的核心部件螺旋葉片管道作為優(yōu)化分析對象，通過流體仿真分析，獲得氣體通過螺旋葉片管道后的流場分布和壓力分布，并通過優(yōu)化螺旋葉片管道的幾何結構來優(yōu)化流場分布和壓力分布，提高吸沫和碎沫能力。具體如下：

（1）參數(shù)化建模：對螺旋葉片管道進行幾何建模并參數(shù)化，幾何特征的建模及參數(shù)化模型進入到后續(xù)仿真流程中；

圖3 螺旋葉片管道的幾何結構

（2）流場分析：通過流體仿真軟件ANSYS Fluent分析一定壓強的氣流在螺旋葉片管道內的流動情況，確定其流場分布和壓力分布；

（3）優(yōu)化設計：以螺旋葉片管道幾何參數(shù)為設計參數(shù)，以吸沫和碎沫效果最大化為優(yōu)化目標，并以流體動力學量化指標來衡量吸沫和碎沫能力，基于optiSLang進行多目標參數(shù)優(yōu)化：通過參數(shù)敏感性分析尋找對設計目標和約束最敏感（即最重要）的設計參數(shù)，并對設計目標和約束進行響應面的擬合，生成高質量的響應面，并基于此進行優(yōu)化分析。

圖4 螺旋葉片管道的優(yōu)化設計流程

通過對比螺旋葉片管道優(yōu)化前后的空氣的流速和壓力分布發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后空氣進入螺旋葉片管道的流量增加22%，而優(yōu)化后吸沫口內外壓力差增大了5倍，同時，吸沫效果得到了顯著提高。

圖5 優(yōu)化結果

3.2 振動臺動圈骨架優(yōu)化設計

電動振動臺可以模擬產(chǎn)品在制造、組裝運輸以及使用執(zhí)行階段所遭遇的各種環(huán)境，用以鑒定產(chǎn)品是否具有忍受環(huán)境振動的能力，被廣泛應用于國防、航空、航天、通訊、電子、汽車以及家電等行業(yè)。動圈骨架是電動振動臺的關鍵部件，其動力學特性的優(yōu)劣將直接影響振動臺系統(tǒng)的一階豎向共振頻率的高低，從而影響振動臺工作頻率的上限和非線性失真大小，因此一階豎向共振頻率是設計振動臺的技術關鍵。

鋁合金振動臺動圈骨架的工作狀態(tài)為振動環(huán)境，其原始設計工作頻率偏低，不能達到預期，希望通過優(yōu)化設計來提升性能：

• 質量不增加；

• 豎向一階共振頻率盡量提升；
• 其余性能指標與原設計相當于或優(yōu)于原設計（強度、Q值、橫向振動、臺面振動均勻度）。
• 
  

圖6 振動臺動圈骨架原始結構

基于優(yōu)化目標，采用拓撲優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化相結合的優(yōu)化技術對其進行優(yōu)化：

（1）拓撲形貌優(yōu)化：利用拓撲優(yōu)化軟件GENESIS對動圈骨架原設計結構進行拓撲形貌優(yōu)化，以獲得具有材料分布和傳力路徑的動圈骨架結構的概念設計，骨架的腹板中央和面板和外圍環(huán)板區(qū)域應該減薄；腹板外側和骨架底部環(huán)板區(qū)域應該加厚。具體減薄、加厚的范圍以及板材尺寸則需要通過參數(shù)優(yōu)化獲得；

（2）參數(shù)化建模：基于拓撲優(yōu)化的結果建立參數(shù)化CAD模型；

（3）參數(shù)優(yōu)化：利用參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang對拓撲優(yōu)化后的參數(shù)化進行敏感性分析，獲得了對響應（即：骨架質量和豎向一階共振頻率）影響較大的參數(shù)，而過濾掉那些對響應影響很小的參數(shù)，從而實現(xiàn)參數(shù)空間降維；然后，利用影響較大的參數(shù)進行多目標參數(shù)優(yōu)化，獲得即滿足骨架質量最小，又滿足豎向一階共振頻率最大的參數(shù)組合及其模型，完成最終的詳細設計；

（4）性能驗證：對優(yōu)化設計的最終模型進行了性能驗證并與原始結構的性能指標進行對比，相對于原設計，最終優(yōu)化結果在質量降低1.3kg的情況下頻率提升270Hz，其他性能指標也全面提升表明動圈骨架結構的最終優(yōu)化設計全面優(yōu)于原設計。

圖7 振動臺動圈骨架優(yōu)化設計

總結

本文簡要介紹了參數(shù)優(yōu)化技術以及參數(shù)優(yōu)化設計流程，并通過兩個實例驗證了參數(shù)優(yōu)化在產(chǎn)品設計中的重要作用。隨著增材設計在增材制造產(chǎn)業(yè)的廣泛應用，參數(shù)優(yōu)化勢必會在其中發(fā)揮更大的作用。