两种设计、不同的性能3D打印

创成式设计（Generative Design）是一种参数化3D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。

2019年TCT展会上展出的创成式轮毂样品，来源安世亚太

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。

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。

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

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，具体可参见下图所示。

方案1轮毂的弯曲工况下应力云图，来源安世亚太

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。

方案1轮毂的径向工况下应力云图，来源安世亚太

方案2轮毂的径向工况下应力云图，来源安世亚太