[论文解读] Generative Design for Performance Enhancement, Weight Reduction, and its Industrial Implications

Bashu Aman|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Manufacturing Process and Optimization参考文献 19被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于 Autodesk Fusion 360 的机械支架生成式设计方法，通过在结构、热力和动态约束下进行迭代优化，实现性能提升与减重。最终设计经多物理场仿真与 3D 打印验证，展现出显著的减重效果和结构完整性，同时保持与原始组件的集成功能。

ABSTRACT

This paper investigates the generative designing of a bracket that aids in the rotation of a linkage mounted on it with a revolute joint. Generative design is a term that is generally used when we care about weight reduction and performance gain in the manufacturing sector. Optimization is also a similar term. The only difference between the two is that generative design considers stress analysis while optimization considers load paths to give the required result. For a critical analysis of a generatively designed bracket, Autodesk Fusion 360 is used, which has in-built functionality of working on the generative design on the cloud, given Preserve and Obstacle geometries, Starting Shape and Resolution, Load cases and Constraints, Materials and Manufacturing methods. The generative bracket's iterative solutions are explored and further validated with simulations such as stress simulations, thermal simulations, buckling simulations, and modal frequencies, thus leading to a proper result for forming design and mesh. After post-processing the bracket's design and mesh, its CAD is further converted to CAM to send it for 3D printing under a suitable manufacturing method. The final generative bracket design is linked and employed into the initial assembly to check its proper working with the linkage, machine interface, and joints. The generated design considering various parameters is the best finish for performance enhancement and weight reduction. This paper will act as a basis for designing parts involving multiple studies and environments that will be a topic of industrial research in future technologies.

研究动机与目标

• 通过生成式设计开发一种轻量化、高性能的支架，以提升机械性能。
• 将结构、热力和动态仿真整合到设计流程中，实现稳健验证。
• 通过功能测试与增材制造，展示生成式设计在工业应用中的可行性。
• 通过强调基于应力的拓扑生成，对比生成式设计与传统优化方法。
• 为未来在复杂环境与多目标条件下进行先进制造中的零件设计建立框架。

提出的方法

• 利用 Autodesk Fusion 360 的基于云的生成式设计模块，设定保留几何体与障碍物几何体、起始形状、分辨率及制造约束条件。
• 应用载荷工况、边界条件与材料属性，基于应力分布指导拓扑优化。
• 开展迭代仿真，包括静应力、热力、屈曲及模态频率分析，以验证设计性能。
• 对优化后的 CAD 模型进行后处理，并生成适用于选择性激光烧结（SLS）的 CAM 加工路径，实现直接 3D 打印。
• 将最终的生成式支架重新集成至原始组件中，验证其与旋转关节及连杆的运动兼容性。
• 采用多阶段设计循环，结合仿真反馈与可制造性约束，进一步优化最终零件。

实验结果

研究问题

• RQ1 生成式设计如何在保持或提升结构性能的同时实现机械支架的减重？
• RQ2 基于应力的拓扑优化在生成更优载荷路径方面相较于传统优化发挥何种作用？
• RQ3 多物理场仿真（热力、屈曲、模态）如何提升生成式设计结果的可靠性？
• RQ4 生成式设计的零件在多大程度上可实现与现有机械组件的功能集成？
• RQ5 在实际制造工作流程中采用生成式设计具有哪些实际工业影响？

主要发现

• 生成式设计显著降低了支架重量，实现了基于应力分析的最优材料分布。
• 最终设计通过了所有仿真测试，包括静应力、热力、屈曲及模态频率分析，证实了结构稳定性。
• 支架在原始组件中与旋转关节及连杆保持完全的功能兼容性，验证了运动性能。
• 后处理与 CAM 生成使直接 3D 打印成为可能，展示了增材制造的可制造性。
• 基于仿真反馈的迭代设计流程，生成了高性能、轻量化的零部件，适用于工业部署。
• 本研究建立了一套可复现的生成式设计工作流程，适用于涉及多种物理环境的复杂机械系统。