拓扑优化在飞机零部件叠层制造（Additive Layer Manufacturing, ALM）中的应用

　　EADS创新中心在TSB的资助下，与工业界和学术界共同合作进行AVLAM项目的开发，来探索能否为航空航天业制造出优化的ALM零件，达到技术和商业的可行性。作为试验，他们使用了HyperWorks的拓扑优化工具OptiStruct软件，来为空客A320的零件进行优化，进而推广应用于其它的航空结构。

　　图1：空客A320原机舱铰链支架(后)优化设计ALM制造后形状(前)

　　挑战

　　ALM是一种新兴的制造技术，它基于相对灵活的设计约束限制，通过优化设计达到显著降低零件重量的目标。

　　ALM制造的成本独立于零件的复杂度，所以这是一个良性循环，即通过优化设计节省了零件的材料用量，从而降低成本。

　　此项目的目标是使用ALM提供的设计自由度来论证潜在的材料重量节省能力，并且保持与原零件相同的性能。

　　解决方案

　　EADS创新中心实施优化策略，以尽可能少的材料生产一个零件(例如最轻重量)。他们采用OptiStruct进行拓扑优化，其中包括以下两个设计过程：

　　第一个设计周期

　　在CATIA V5中进行初始设计并在选定的条件下，进行了鲁棒性测试。在对结构进行改进时使用HyperWorks的HyperMorph功能对其CAE模型进行新的约束和新的网格变形，再使用OptiStruct对其进行了形状和尺寸的优化。在这个阶段，零件仅重310g.

　　第二个设计周期

　　基于第一个设计周期的结果，施加新的各种约束，重复优化的过程。结果使当前的零件在反复优化后比第一个设计阶段中得到的仅仅重16g，总重量为326g。

　　图2：优化设计周期

　　图3：原铰链的FEA模型图4：优化后的铰链FEA模型

　　结论

　　OptiStruct独特的拓扑优化技术进一步证实了，对ALM制造的小尺寸飞机零部件使用优化技术可以节省可观的材料。优化后得到的零件质量只有326g，比起原零件的质量918g，足足减少了64%。

　　优化设计结果保留了相同的刚度特性和螺栓载荷，零件上的应力减小了，强度却得到了提升。

　　这样的结果表明了一个强大的商业案例，就是一个飞机中成千上万的小尺寸ALM零件都可以被优化减重。我们可以充分利用这一新技术和工艺制造的优势，从而实现航空航天工业领域产品减重、优化设计及降低成本等目标。

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　　关于Altair公司

　　Altair公司是世界领先的工程设计技术的开发者之一，也是一家具有全球深厚工程技术底蕴的优秀CAE工程公司。Altair 公司拥有多元化的业务主线，其技术涵盖高端CAE仿真和优化技术、数据管理及流程自动化、高性能计算与网络计算技术，同时具备一流的产品设计、流程定制、二次开发等咨询服务能力。Altair目前为私人所有，总部设在美国底特律，在全球拥有1500多位员工，分支机构遍及美洲、欧洲及亚太地区。凭借其在产品设计、先进CAE工程软件开发和网格计算技术等方面拥有26年的经验，Altair不断为各个行业的客户创造竞争优势。

　　企业级CAE仿真平台

　　构建于设计优化、性能数据管理和流程自动化的基础理念之上，HyperWorks是一个企业级的仿真解决方案，用于加快企业设计开发和决策过程。作为业界最全面的开放构架的CAE解决方案，HyperWorks包括第一流的建模、分析、可视化和数据管理解决方案，适用于线性、非线性、结构优化、流固耦合和多刚体动力学等多个领域。

　　产品创新咨询服务

　　Altair产品设计咨询团队(ProductDesign)是一个提供创新的、端对端解决方案的、全球性的多学科产品研发和工程咨询团队，向全球客户提供全面的工程咨询服务，其设计方案能够综合产品可用性、适用性、高性能、多需求、低成本等多个方面的因素。通过领先的研发流程和丰富的行业经验，帮助客户产品以更快的速度投向市场。

　　网格计算和资源管理平台

　　Altair PBS Works 帮助制造业、资源勘探、地球科学、天气预报、计算化学、制药、金融和娱乐行业的企业、学校和研究机构最大化其计算软硬件资源的投资回报。PBS Works系统作为Altair HyperWorks家族中的成员，帮助制造业用户在实现大规模CAE仿真的同时按照需求有效地利用企业的计算资源，包括网格、集群和其他计算系统。

（Altair）

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