3D打印与优化设计：航天结构设计的未来趋势

行业：航天

挑战：如何应用优化设计对接3D打印，实现航天结构的优化减重设计

Altair 解决方案：利用solidThinking Inspire的概念生成功能和3D打印技术，设计性能最优的航天器结构

优点：solidThinking Inspire简单易学是设计工程师实现概念设计的好帮手；通过赛前培训、赛事实战、赛后推广的方式将新工具、新手段、新技术向全团队推广，达到快速提升设计能力的目的

背景介绍

中国航天科技集团公司北京空间飞行器总体设计部成立于1968年，是我国总体领域最多、专业技术最齐备的空间飞行器研制核心总体单位。近50年来，总体部承担并完成了月球探测卫星、载人飞船、传输遥感卫星、导航卫星、通信广播卫星、返回式卫星等各类航天器型号的技术抓总及相关分系统与产品研制任务，其中包括我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”、第一艘载人飞船“神舟五号”、第一颗月球探测卫星“嫦娥一号”、第一个月面软着陆与巡视勘察探测器“嫦娥三号”，以及第一颗返回式卫星、地球同步轨道卫星、传输遥感卫星、导航卫星等。

总体部一直非常重视仿真优化技术，引进了以HyperWorks为代表的一系列仿真优化软件，并在型号中广泛推广应用，取得了很好的效果，为了更好更快的让新观念、新技术、新软件在航天器上落地生根，各研究室和工程组会通过竞赛、培训、试点等多种方式开展推广活动。开展三维设计大赛结合3D打印技术，挑战传统的设计。  

挑战

航天器结构的减重优化对整个系统意义重大，每一部分重量的减轻即意味着航天器拥有更好的性能、更多的功能、更远的行程和更优的经济效能，整个系统具备更强的负载能力和更好的经济性。结构轻量化技术包含设计轻量化技术和材料轻量化等技术，设计轻量化技术包括结构拓扑优化和点阵结构（Lattice，或称格栅结构）优化等技术。如何利用先进的仿真技术和制造技术合理实现优化减重是当代航天人面临的挑战。    

拓扑优化和参数优化是未来实现航天器结构轻质化的重要方法，同时3D打印技术的逐步实用化也将彻底改变设计受工艺制约的现状，使设计师能够专注于追求功能和力学性能的极致优化，从而设计出更加精美的作品  成志忠 北京空间飞行器总体设计部                                                                                                              

解决方案

在2014年10月沈阳召开的制造业信息化大会上，我们了解到Altair的solidThinking软件是一款易学易用的三维设计与拓扑优化于一体的设计软件，同时可以对接3D打印技术，这正是我们一直在为设计人员寻求的解决方案。在引入solidThinking软件后得到了Altair技术团队的大力支持，经过培训，我们于2015年在设计团队开展了2015三维设计大赛，大赛的主题是“优化设计提升产品性能”。共有7个单位近50位设计工程师参加了比赛。对航天器部件结构进行拓扑优化后进一步重新设计。优化是追求卓越的需求，数字样机与有限元技术为优化创造了无限可能，大赛的软件工具即是solidThinking Inspire。

将原始的CAD数据导入Inspire，并随后定义设计空间、约束条件及载荷工况。有些还对部件做了简化处理，旨在将设计空间最大化，从而使Inspire可以最大程度地发挥设计自由度。接下来，每位工程师使用Inspire生成了理想的部件形状，随即有的工程师定义了更小的设计空间进行二次迭代优化并进行强度验证，进一步完善了部件形状。

像Inspire这样一款工具可以与3D打印技术紧密协作，所生成的组件设计可为制造过程提供一定的自由度，从而具备最大程度地提升结构性能的优势。采用这种方式将可以得到更强、更轻的零部件，而这往往是传统制造技术难以实现的。

由Inspire生成的全新材料布局

借助Inspire所生成的全新材料布局，得到了既可满足性能目标又可达到减重之效的设计概念。之后，利用模型并结合自身的设计专业知识，围绕概念生成了适合3D打印的几何形状。借助3D打印技术实现了新的结构设计。      

3D打印模型展示  

如同优化设计改变了我们日常的生活，优化设计也改变着航天器结构设计，已经有大量结构都是经过优化设计后的产物（桁架构型、复材铺层、金属结构拓扑、钣金件起筋…）。

航天结构优化过程  

结论

拓扑优化和参数优化是未来实现航天器结构轻质化的重要方法，同时3D打印技术的逐步实用化也将彻底改变设计受工艺制约的现状，使设计师能够专注于追求功能和力学性能的极致优化，从而设计出更加精美的作品。

solidThinking和3D打印技术的集成将带来显而易见的诸多优势。Inspire可以提供创建载荷驱动型结构的最佳方法，并使航天行业能够充分挖掘采用3D打印结构实现大幅减重设计的潜力。优化设计对接3D打印助力航天结构设计。

另外，solidThinking Inspire2016版本中新增的PolyNURBS功能，可在拓扑优化的基础上快速拟合相应几何，获得适合用于3D打印的实体模型。目前这种技术已成功应用于卫星支架设计，非常适合构建造型复杂、适用于3D打印的结构部件设计。

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