通过拓扑优化实现您创新的轻量级设计

产品越轻，空气越清 

根据美国环境保护局的数据，与运输相关的温室气体排放的最大来源包括乘用车和轻型卡车，涵盖SUV、皮卡和小型货车。其余的来自其他来源，飞机位居榜首。各国政府意识到了形势的严重性，并通过制定减少消费和二氧化碳排放的目标来响应号召。那么，汽车和飞机制造商是如何学会缓解这一问题的呢？ 

轻量化或减轻车辆重量是减少能源消耗及其副产品二氧化碳排放的常用方法。新材料如先进高强度钢（AHSS）和复合材料等是这一领域的重要一环；它们比钢轻得多，与传统钢相比，可将车辆总重量减少10%。电动汽车厂家在不断努力增加续航里程时，特别关注轻量化。 

这一点也同样适用航空航天制造商，他们面临着进一步降低燃料消耗（占拥有成本的30%），同时迫切需要通过降低排放量来减少碳足迹的双重挑战，。虽然轻质合金已广泛应用于飞机以降低重量与强度之比，但仍需要进一步改进。在这些突破性技术中，增材制造正在释放更大的设计空间，以重新设计轻量零件，这些零件的制造即成本合理也上市迅速。它还为创新和复杂的部件铺平了道路，集成了多种功能，并节约了更多的重量和成本。 

通过拓扑优化创新轻量级设计

那么，如何在不牺牲性能或安全性的前提下，使产品更轻量化并降低制造成本？如果不能选择从钢材转向新型轻质材料，会发生什么？使用增材制造的公司如何获得最佳设计？

让我们思考一下产品通常是如何创建的。你想好一个设计，然后专注于通过工业生产线上使用的特殊制造能力来实现该设计。但是，如果相反，您能够创建一个全新的、更轻的设计，并且能够在制造阶段早期识别约束条件，又会怎么样呢？ 

拓扑优化是许多设计师使用的一种技术，通过削掉材料来改变零件的形状。最终目标是找到完全符合一组给定约束的最佳形状。其中一个约束条件是减少体积或重量，从而使零件更轻。 

第一代优化解决方案使用材料密度方法（SIMP方法）。这项技术使得新设计得以出现。但它的局限性鼓励人们寻找新的方法，以进一步推动设计服务创新的极限。ESI开发了一种新方法来解决这一差距，以确定最佳形状。 

市场上大多数广泛的拓扑优化解决方案都使用材料密度方法（SIMP方法），这主要是因为它更容易实现。这种方法的问题在于，在过程结束时，用户没有得到最佳形状，而是根据所选的阈值选择了几个解决方案。此外，所选择的解决方法不可能完全符合既定的规范。 

祝您成功的拓扑工具 

几年前，ESI开始开发TOPAZE，这是一种基于水平集方法的新一代拓扑优化解决方案。优点是具有更好轮廓的独特形状，并满足设计者设置的各类约束条件。 

该应用程序还具有一个新的CAE Return工具。使用此工具，设计者可以轻松地验证其优化结果或将新设计重新纳入其尺寸标注过程。这为用户打开了一扇大门，让他们可以执行整个优化过程，从同一机械模型进化到最终优化的形状。 

此外，通过TOPAZE，设计师很早就考虑到了各种制造约束条件。例如，可在早期通过应用成型的约束条件与结果的对称性，确保解决方案符合铸件制造工艺。 

TOPAZE向3D打印世界伸出援手 

随着增材制造的出现，设计过程的典型约束条件被消除，所有形状都是可接受的。用户使用TOPAZE优化其组件，然后导出设计以供以后用于3D打印。 

在实验层面上，与ESI的增材制造解决方案相结合，TOPAZE可用于优化制造过程中所需支撑的形状。 

展望未来，ESI正在努力进一步定义特定的增材制造约束条件，并将其集成到拓扑优化过程中。 

ESI与OEM厂家合作，持续推动创新 

TOPAZE是一个创新应用程序，通过参与合作项目得到各类开发支持，例如与工业合作伙伴雷诺和空客的TOP项目（拓扑优化平台），以及与合作伙伴AddUp和其他许多合作伙伴的SOFIA项目（工业金属增材制造解决方案）。 

TOP项目 

TOP是一个为期四年的计划，有三个主要目标：

• 优化设计领域的科学性突破
• 开发创新和强大的数字工具，以应对复杂结构的设计要求
• 在最终用户合作伙伴提供的工业案例中演示这些工具的可靠性

通过TOP项目，开发了动态标准谐波响应，并将其完全集成到TOPAZE中。 

SOFIA 项目 

SOFIA是一项为期六年的应用研究计划，旨在开发完整的金属添加剂制造价值链（粉末、生产设备、工艺）。 

该项目将有助于开发与增材制造工艺相关的新约束条件，并将其纳入TOPAZE。最终目标是TOPAZE预测的最终最佳形状可以通过增材制造解决方案直接制造。 

继续关注这些项目和ESI，了解与形状优化相关的最前沿发展，以及如何使您受益。 

有关优化轻量化设计的更多信息，请下载有关多材料组件的白皮书。 

有关项目的更多信息，请访问TOP和SOFIA。