3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化在鞋中底設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
魔猴君 行業(yè)資訊 1954天前
阿迪達(dá)斯在世界海洋日發(fā)布了新款的ALPHAEDGE 4D 海洋系列版本運(yùn)動(dòng)鞋。這款鞋是用海洋回收的塑料材料制成的,其鞋中底是3D打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
那么如何實(shí)現(xiàn)帶有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的鞋中底的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)呢?
專家以某一款運(yùn)動(dòng)休閑鞋鞋中底的點(diǎn)陣材料填充設(shè)計(jì)為例,驗(yàn)證了點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的合理性、可行性和精度。通過(guò)點(diǎn)陣材料仿真技術(shù)方案LatticeSimulation,獲得給定點(diǎn)陣材料在不同體積分?jǐn)?shù)下的等效性質(zhì),并以此為基礎(chǔ),對(duì)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行參數(shù)化,利用參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang對(duì)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而獲得產(chǎn)品的最終定型。通過(guò)對(duì)某一款運(yùn)動(dòng)休閑鞋鞋中底的點(diǎn)陣材料填充設(shè)計(jì),展示了利用參數(shù)優(yōu)化對(duì)點(diǎn)陣材料進(jìn)行設(shè)計(jì)的全過(guò)程。結(jié)果顯示由對(duì)點(diǎn)陣材料進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以獲得滿足要求的點(diǎn)陣材料填充,并且具有較高的計(jì)算精度。
一、點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述
增材制造是未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn),它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無(wú)法制造的設(shè)計(jì),比如復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多零件融合一體化制造等。增材制造不僅是工藝的革命,它還帶來(lái)了設(shè)計(jì)的革命,帶來(lái)了全新的設(shè)計(jì)可行性,使得改變?cè)O(shè)計(jì)理念成為必然。點(diǎn)陣材料作為一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),除了輕量化的特點(diǎn)外,還具有優(yōu)良的比剛度、比強(qiáng)度、阻尼減震、緩沖吸能等功能性特點(diǎn)。但是,點(diǎn)陣材料由于其含有大量復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致直接建模和仿真計(jì)算工作量巨大,傳統(tǒng)的有限元分析無(wú)法或很難直接進(jìn)行計(jì)算。因此,針對(duì)由點(diǎn)陣材料填充的結(jié)構(gòu),目前普遍采用的方法是多尺度均勻化方法,其基本思想是以宏細(xì)觀結(jié)合的多尺度算法為基礎(chǔ)的等效均質(zhì)化方法。即基于細(xì)觀分析方法(子胞分析)獲取點(diǎn)陣材料宏觀均質(zhì)化力學(xué)特性,然后通過(guò)宏觀分析對(duì)點(diǎn)陣材料進(jìn)行等效模擬,再回到細(xì)觀,基于宏觀計(jì)算結(jié)果對(duì)點(diǎn)陣材料進(jìn)行局部細(xì)節(jié)模擬。
參數(shù)優(yōu)化技術(shù)作為對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的有效手段,可以對(duì)產(chǎn)品的細(xì)節(jié)進(jìn)行參數(shù)化建模并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以達(dá)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的目的,完成產(chǎn)品的最終定型。
參數(shù)優(yōu)化的一般流程包括以下步驟:
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)。
參數(shù)敏感性分析:識(shí)別重要性參數(shù),過(guò)濾無(wú)關(guān)參數(shù),并建立高質(zhì)量響應(yīng)面,為后續(xù)快速優(yōu)化做準(zhǔn)備。
優(yōu)化分析:定義優(yōu)化目標(biāo)、約束條件,設(shè)定優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
設(shè)計(jì)驗(yàn)證:對(duì)最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證性分析。
穩(wěn)健性可靠性評(píng)估:若對(duì)可靠性有要求,則進(jìn)行穩(wěn)健性可靠性分析與優(yōu)化。
二、點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
某一款運(yùn)動(dòng)休閑鞋鞋中底如圖1所示。為了設(shè)計(jì)一款舒適的運(yùn)動(dòng)休閑鞋,鞋中底的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。首先需要對(duì)鞋中底確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)舒適性的量化采用兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo):一是人正常站在鞋中底上時(shí),人的腳掌底部受力盡量均勻,這同時(shí)意味著鞋中底上表面受的壓力是均勻的;二是鞋中底的重量盡可能低,即輕量化。點(diǎn)陣材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能,使得在對(duì)鞋中底進(jìn)行輕量化時(shí)成為一時(shí)之選。
圖1. 某一款運(yùn)動(dòng)休閑鞋鞋中底
具體的優(yōu)化策略如下:
首先將此鞋中底劃分為若干個(gè)區(qū)域(45個(gè)區(qū)域),如圖2所示。
圖2. 對(duì)鞋中底進(jìn)行劃分(45個(gè)區(qū)域)
然后選擇一種點(diǎn)陣材料,點(diǎn)陣材料一旦選定,其等效性質(zhì)就只與點(diǎn)陣材料的體積分?jǐn)?shù)有關(guān),這里我們采用的點(diǎn)陣材料如圖3所示。利用安世中德開(kāi)發(fā)的LatticeSimulation可以獲得此點(diǎn)陣材料在不同體積分?jǐn)?shù)下的等效性質(zhì),如表1所示。
圖3. 點(diǎn)陣材料
表1. 點(diǎn)陣材料依賴于體積分?jǐn)?shù)的等效性質(zhì)
將此點(diǎn)陣材料按不同的體積分?jǐn)?shù)填充到所劃分的區(qū)域中,不同的體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)不同的剛度,利用optiSLang優(yōu)化得到不同區(qū)域的體積分?jǐn)?shù),從而使得鞋中底上表面受力均勻,從而完成鞋中底點(diǎn)陣材料填充的最終定型。其流程如圖4所示。
圖4. 鞋中底點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)化流程
點(diǎn)陣材料參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)算例
- 算例1
本算例主要用于驗(yàn)證上述優(yōu)化流程的合理性、可行性和精度。
首先將鞋中底劃分為10個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域(如圖綠色區(qū)域?yàn)橐粎^(qū)域)填充的點(diǎn)陣材料是一致的,即體積分?jǐn)?shù)相同,表示其填充材料的等效性質(zhì)相同;不同的區(qū)域其體積分?jǐn)?shù)不同(如圖所示),表示其填充的點(diǎn)陣材料的等效性質(zhì)不同;針對(duì)10個(gè)區(qū)域,預(yù)先給定每個(gè)區(qū)域的點(diǎn)陣材料的體積分?jǐn)?shù),如圖5所示。此即為基準(zhǔn)模型。
圖5. 給定點(diǎn)陣材料填充的鞋中底
針對(duì)已填充完點(diǎn)陣材料的鞋中底,在選定的鞋中底上表面(圖2紅色區(qū)域)施加合理的壓力(0.055MPa,相當(dāng)于一個(gè)體重約為70kg的成年人),鞋的底部固定,從而計(jì)算獲得鞋中底上表面的變形;此變形我們稱之為基準(zhǔn)變形,基準(zhǔn)變形與基準(zhǔn)應(yīng)力如圖6所示。
圖6. 基準(zhǔn)變形與基準(zhǔn)等效應(yīng)力
然后,利用optiSLang以確定45個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的填充點(diǎn)陣材料的體積分?jǐn)?shù),以觀察優(yōu)化獲得的體積分?jǐn)?shù)是否與圖5所示的一致,以及產(chǎn)生的變形是否與圖6所示的一致。優(yōu)化目標(biāo)是設(shè)計(jì)鞋中底的上表面變形與基準(zhǔn)變形的最小二乘函數(shù)最小化,設(shè)計(jì)變量為填充45個(gè)區(qū)域的不同的體積分?jǐn)?shù)。體積分?jǐn)?shù)優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。優(yōu)化后的鞋中底上表面在三個(gè)方向的變形與基準(zhǔn)變形的比較如圖8所示。
圖7. 優(yōu)化后不同區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)
圖8. 優(yōu)化結(jié)果與基準(zhǔn)結(jié)果的比較
對(duì)比圖5與圖7,我們看到,不同區(qū)域優(yōu)化后的體積分?jǐn)?shù)很接近所預(yù)先設(shè)定的體積分?jǐn)?shù);并且從圖8可以看到,按優(yōu)化后的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算而得到的三個(gè)方向的變形與按預(yù)先設(shè)定的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算而得到的三個(gè)方向的變形幾乎完全一致,因此,我們可以得到如下結(jié)論,即我們提出的優(yōu)化策略是可行的,且精度可以保證。
- 算例2
算例2假設(shè)圖2紅色區(qū)域(即腳掌與鞋的接觸面)在一個(gè)成年人穿鞋站立時(shí)下移(沿z方向)了0.5mm,此即為基準(zhǔn)變形,此時(shí)鞋中底上表面依然承受0.055MPa的壓力,如圖9所示。
圖9. 鞋中底優(yōu)化時(shí)的載荷和約束
采用同樣的流程、同樣的優(yōu)化目標(biāo)以及同樣的優(yōu)化策略,即利用optiSLang以確定45個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的填充點(diǎn)陣材料的體積分?jǐn)?shù),以觀察優(yōu)化獲得的變形是否與預(yù)設(shè)的0.5mm一致。優(yōu)化目標(biāo)仍是設(shè)計(jì)鞋中底的上表面變形與基準(zhǔn)變形的最小二乘函數(shù)最小化,設(shè)計(jì)變量為填充45個(gè)區(qū)域的不同的體積分?jǐn)?shù)。優(yōu)化后的變形如圖10所示。從圖10可以看到,鞋中底上表面與腳掌接觸的區(qū)域的變形都在0.5mm附近。此算例再一次驗(yàn)證了我們提出的優(yōu)化策略的合理性和精度。
圖10. 優(yōu)化后的鞋中底上表面變形
結(jié)論
本文簡(jiǎn)要闡述了點(diǎn)陣材料的多尺度均勻化仿真技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化技術(shù),并將二者的結(jié)合,即點(diǎn)陣材料的參數(shù)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于增材制造的先進(jìn)設(shè)計(jì),其中涉及到的點(diǎn)陣材料多尺度均勻化仿真技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化技術(shù)可以在ANSYS Workbench平臺(tái)上通過(guò)調(diào)用參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang和安世中德自主開(kāi)發(fā)的LatticeSimulation來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文以某一款運(yùn)動(dòng)休閑鞋鞋中底的填充點(diǎn)陣材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例,驗(yàn)證了上述點(diǎn)陣材料的參數(shù)設(shè)計(jì)方案的合理性、可行性和精度。上面的案例說(shuō)明,點(diǎn)陣材料的參數(shù)設(shè)計(jì)方案不僅可以用于實(shí)際的運(yùn)動(dòng)休閑鞋的仿真和優(yōu)化,還可以應(yīng)用于所有涉及點(diǎn)陣材料填充的結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)中。
來(lái)源:3D科學(xué)谷