全球著名的PLM咨询与研究机构CIMdata评价solidThinking Inspire
——让优化驱动概念设计理念普及化

主要内容概览：

拓扑优化可生成高效的轻量化结构，以满足设计在重量、刚度、强度上的需求。

solidThinking的母公司Altair是拓扑优化在商业领域应用的开拓者，其优化产品OptiStruct已在各领域应用多年。

solidThinking Inspire是一个专为设计工程师创建的拓扑优化工具，帮助他们解决在产品开发周期前端的问题。

客户可以在第一时间获得拓扑优化的结果，从而减少大量重复设计的过程，提升效率。

solidThinking Inspire主要应用领域不局限于汽车及航空领域，还包括建筑和工业设计。

由这种技术获得有机形态，既能满足结构功能性，又能满足美学需求。

在数字化产品不断革新的过程中，工具越来越趋于普及化，即能够让更多的人更轻松地掌握。特别是当仿真驱动的理念引申到产品设计流程的早期，帮助用户选择产品概念并定义产品结构时，这个工具就必须更加简单、快速、更有力地支持关键性的产品决策，满足跨学科的需求。

卓越的思考者们认为产品设计中的几何形态应该是设计过程的结果而非起点。他们设想一种系统工程方法，其物理设计是由其性能或其他条件提取或合成的。在这个系统中，几何形态完全是设计研发流程的一部分。
拓扑优化是开发结构几何形态的一种方法，这种方法生成的结构可以定向地满足约束要求，比如获得质量最小或者刚度最大的结果。

Altair公司是在商业领域推广拓扑优化的先行者，自上世纪90年代就开始推广其产品OptiStruct。自此之后，拓扑优化方法就作为工业中用于获取高效结构的通用且重要的方法，例如航空和汽车行业。制造和其他多种约束提升了这种技术的应用性，但是使用这种技术还需要一些专业的FEA和CAD的知识。

为了拓宽拓扑优化技术的市场，solidThinking（Altair旗下子公司）基于这种技术全新研发了一个目标明确的工具——solidThinking Inspire。Inspire无需用户具备FEA和CAD专业技术。更重要的是，它是在概念阶段施加拓扑优化，领先于详细的CAD设计和通常的仿真环节。

在开发Inspire时，solidThinking将其对设计和产品开发流程的理解创造性地展示出来。拓扑优化最佳的应用时期就是概念设计阶段，此时产品仍然拥有很大的设计自由度。但由于时间周期的限制，通常无法让CAE和CAD工程师组成一个团队来共同面对优化方面的工作，而专业级的工程师常常又不精通CAE和CAD工具。Inspire正是一个可以满足主要负责结构设计的工程师使用需求的有效工具。

拓扑优化是个非常引人注目的工具。它用于在满足预定载荷条件下生成高效的结构，用户只需定义结构可能会占用的空间、载荷及接触点即可。而生成的解决方案包含可变材料密度的有限元模型。在优化过程中，不需要承受载荷的部位的材料都被移除掉了。由优化技术开发的结构几何形态能满足最小质量和最大刚度的需求。

商用的拓扑优化软件已经应用了将近20年，但是常常限制于很多操作上的困难。这种技术更多的是被有限元专家所应用，并且很难被标准的MCAD包所识读，同时，也很难通过传统的注塑、冲压、铸造等制造流程生产出来。因此，当这种技术成功运用于二维结构时，例如翼梁、构架、装备托架等，其真正的潜力还并没有被大家所认识到。拓扑优化项目通常需要一个团队来完成，这里面至少得拥有一位懂产品的工程师、一位FEA专家和一个CAD专家。

拓扑优化过程如下：在图1中，托架的设计空间已被定义，并且该空间已被施加了载荷，以及应力或重量的约束等。

优化的几何结果见图2。最终所保留的部分中间形成空洞，在制造中，如拉模铸造时就很难生产出来。所以在Inspire中还可以施加制造约束。或者增加对称约束。

最后，如果同一部件在多个不同的位置应用，还可以为其施加多工况。最终的Inspire优化结果如图3中所示。然后这个概念可以导入到CAD系统中，帮助设计者开发实际部件的几何形态。

需要注意的是，拓扑优化是用于“探索”满足产品性能需求的结构几何。由此，对于开发流程来说这种“预选”手段非常高效。产品开发流程通常可以用系统工程“V”形图来表示，如图4所示。对于机械设计来说，详细的CAD设计在“V”形的最底部。拓扑优化适合在“V”形的左侧。solidThinking的客户们已开始在CAD设计中应用拓扑优化，他们反馈说这种技术能帮他们大幅减少重复设计的时间。

需要注意的是，拓扑优化是用于“探索”满足产品性能需求的结构几何。由此，对于开发流程来说这种“预选”手段非常高效。产品开发流程通常可以用系统工程“V”形图来表示，如图4所示。对于机械设计来说，详细的CAD设计在“V”形的最底部。拓扑优化适合在“V”形的左侧。solidThinking的客户们已开始在CAD设计中应用拓扑优化，他们反馈说这种技术能帮他们大幅减少重复设计的时间。

在完成CAD设计后，就需要进入传统的CAE仿真流程。这时，就可以利用Altair产品OptiStruct中的形貌优化，对设计结果进行微调。

优化还可以被应用于“V”形图的右侧，这时由于设计空间以及产品外形已经基本确定，所以改变的自由度非常小。但即使是这样，我们仍有机会通过优化让产品变得更轻。

Inspire是一个独立的工具，它并非隶属于某一CAD工具或者有限元软件。它具备满足其目的性的几何生成能力，但它又不是一个CAD工具。它也不能算是一个传统意义上来讲的有限元求解器。但正是整合了这两方面的能力，让Inspire成为了非常有用但又简单易学的工具。

Inspire提供了独一无二的交互方式让用户明白结构应该如何。通过Inspire中的一个小滑块，用户可以直接观察增加或者移除材料的结果。也可以看到当载荷改变后的效果。这种理解设计的方式非常有效，能让人快速理解载荷如何对结构起作用。这种假设式的学习过程可以在很短的时间内完成：只需在手提电脑上稍稍改变载荷及工况，即可以获得不同的效果。以前如果运行同样的计算，很可能需要在超级电脑上运行数个小时才能完成。

我们可以把拓扑优化理解为生物的形态生成过程，观察它们如何生成有机的形态。由此便可以理解为何拓扑优化结果多为有机的、类似骨骼的形态。这种形态看起来非常的高效而且美观。因此，拓扑优化也可以应用于工业设计及建筑设计。图5中显示的是一个体育场。图中前部显示的是拓扑优化的结果，而整体表现的是由建筑师以设计的语言诠释后的结果。

最近，Inspire又被用于设计摩天大楼的支撑结构（外骨骼），如图6所示。

CIMdate对于这种普及型仿真评价为：它能让仿真为更多用户所用。Inspire正是这样一个工具。solidThinking Inspire帮助用户扫清了很多横在使用拓扑优化面前的障碍。它具备的复杂性满足了一个开发团队的需求，同时由于其广泛的适用性，特别适用于在开发流程早期使用。

原文地址：http://www.cimdata.com/publications/commentary.html?commentary_ID=118