Fusion 360 创成式设计简介

创成式设计和融合 360

创成式设计模仿自然界的进化设计方法。设计师或工程师将设计目标以及材料、制造方法和成本约束等参数输入到衍生式设计软件中。与拓扑优化不同，该软件探索解决方案的所有可能排列，快速生成设计备选方案。它从每次迭代中测试和学习哪些有效，哪些无效。产品设计分为四类：零件的功能、使用的材料、制造过程以及它需要如何执行。

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融合360

Fusion 360是一种3D设计和协作工具，允许用户构建和评估3D CAD模型和图纸。这是我们将用于构建、记录和评估将用于创成式设计的模型的工具。

创成式设计是 Fusion 360 中提供的工具。创成式设计的设置和配置在本地软件中完成。文件和设置将上载，分析将在服务器中完成，您可以在其中查看结果，然后下载完成的结果。

融合团队

Fusion Team 用于管理和评估我们将在 Fusion 和创成式设计中获得的设计和结果。

设置部件

设置要在创成式设计中运行的部件是一个包含许多段的过程，这些段会因您设计的内容而异。设置零件可以从空屏幕或预定义模型开始。两者都可以与创成式设计一起使用。如果您从空白设计开始，那么您从头开始，但需要知道要考虑设计的内容。这可以是它的安装方式或负载在模型上的放置位置。如果我将其应用于现有模型，那么我可以使用现有的几何图形和特征来帮助定义载荷和控制点。

我进一步将此过程分为三个部分：1）对零件进行建模，2）对障碍物进行建模并保留几何图形，以及3）配置模型。

1） 对零件进行建模

如果您有现有模型，则已完成此步骤。这将用作创成式设计中的起始形状。如果您没有现有模型，则应考虑对一些基本点进行建模，例如安装孔和载荷面。这可以使用标准建模技术来完成，我建议零件是单个实体。一个装配体将是多个零件，但您可能希望移除任何不必要的零件，如紧固件和销钉。

2） 对障碍物进行建模并保留几何图形

完成模型构建（如果需要）后，您将需要创建新实体来表示两组信息。这些区域称为障碍物和保留区域，旨在帮助在创成式设计中定义这些区域。障碍是设计中我们不希望衍生式设计允许材料进入的区域。保留区域是我们想要保持模型中定义的大小和形状的区域。

3） 配置模型

在开始创成式设计过程之前，我们想在模型中查看几件事。首先是设置，包括文件单元和材料。在创成式设计中，我们将设置所需的材料，但为了设置所需的重量减轻，我们需要为零件提供准确的重量。下一步是设置不同实体的颜色。我遵循衍生式设计中不同区域的颜色：黄色表示起始形状（现有模型），绿色表示保留几何体，红色表示障碍物几何体。

这将是您在创成式设计中用于设置分析的内容。确保关闭不希望在创成式设计过程中考虑的所有零件和实体的可见性。

分析之情

运行分析有五个基本步骤。其中一些我在上面已经介绍过，我在下面将它们分解得更详细。

分析步骤

1） 确定问题域并收集信息

花一些时间思考问题以及它所适合的更大背景。新零件如何与更大的装配体交互？存在什么样的制造、组装或其他实际考虑因素？是否有任何动力学在起作用（移动部件、不断变化的负载等）？我的最终目标是什么？是重量/材料减少、性能增强、美观还是其他指标改进？

2） 创建保留几何图形

从现有基础模型开始，无论是单个零件还是装配体。创建接口几何体（螺栓凸台、法兰等）作为生成过程要使用的新实体。确保包括任何需要的额外研磨/机器库存、流体密封壁或其他“古怪”蜜饯。

3） 创建障碍物几何图形

再次使用基本模型，创建所需的任何障碍物几何图形。这可能包括紧固件（螺母、螺栓、螺钉、销钉等）以及更复杂的几何形状，如扫掠实体（例如，拨动夹在摆动到位时形成的路径）。确保包括任何所需的工具间隙（如扳手或棘轮）。这里的一个“陷阱”是人们经常制造太短的障碍。确保您的障碍物清除了问题设置的包络。

4） 设置边界条件

在系统中指定约束、载荷、制造细节和材料。请务必根据可能涉及的任何动态运动（例如，汽车悬架的一部分可能会经历制动、加速、转弯或停滞）来构建载荷工况。

5） 运行你的研究

此时，运行您的各种研究。注意早期结果，以确保您获得预期的结果。你会很早就注意到障碍物是否太短，或者你忘记了一些具体的细节。

奖金提示和技巧

• Fusion 360 创成式设计中的求解器目前基于线性静态 FEA 方法。这意味着没有施加负载偏心率。如果您的零件是用纯粹的压缩或拉伸设置的，则可能会出现不切实际的结果，因为不考虑屈曲。从技术上讲，非常窄的色谱柱可以支撑相当大的负载，但任何负载干扰都可能导致灾难性的故障！一个简单的解决方案是在这些纯负载条件下添加垂直于主负载的小负载。

• 创成式设计的核心机制是拓扑综合的水平集方法。水平集方法本质上使用表面积作为其主要作用阶段。这意味着将表面积更改为起始形状（无论是由求解器创建还是由用户指定）都将改变性能和结果。这可以通过有意添加高表面积与质量比的起始形状（例如晶格）来利用。水平设置方法的另一个方面是它们擅长添加孔，但很难将它们放在哪里。通过在起始形状上打一堆随机孔，您可以进一步干扰求解器以获得新的结果。

• 求解器能够探索比传统拓扑优化系统大得多的设计空间。通过利用复杂或奇特的起始形状尺寸，您可以将该设计空间扩展到新的领域。

• 如果您的保护区由于障碍物而无法“看到”彼此，则需要提供一个围绕障碍物移动并将保护区区域连接在一起的起始形状。

查看结果

查看分析结果，查看您提供给系统的信息是否正确，并准确定义了您希望创成式设计执行的操作。结果将有几个选项，具体取决于您设置的材料数量和您为系统提供的整体参数。

结果完成后，使用可用的工具来确定哪些解决方案值得进一步调查。这可能是使用散点图、直观比较结果或检查模型应力可视化的问题。以下是评估结果时要考虑的不同领域：

将结果与初始预期进行比较

结果出来后，循环回第一步，并根据预期/期望的内容验证生成的内容。您可能会发现结果并没有完全完成，需要作为起始形状来进一步完善它。也许你有一个有趣的结果，可以为二次研究提供一个很好的起点。也许您已经确定了一些想要使用其他 FEA 包验证的结果。

集成回基地

生成满意的结果后，将其导出为 B-rep/T 样条曲线，并将其放回基本模型中以再次检查上下文。开始考虑有关CAM，3D打印，CAE验证等的后续步骤。添加所需的功能，如加工操作或根据需要修改 T 型样条，以满足您的上下文要求。

采取后续步骤

将您的最终模型带到 CAM、CAE、3D 打印软件或任何下一阶段的设计中。

冲洗并重复

继续以迭代方式完成此过程，以进一步优化您的设计。创成式设计是一组复杂的工具，可以帮助您以以前可能没有想到的方式开发零件，但它的好坏取决于您提供的信息。

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Robert Savage是IMAGINiT Technologies的高级教育专家。他是一位拥有30年设计经验的资深人士，设计过从模具和模制零件到机器人的所有产品。在诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman Corporation）旗下的Remotec，他在研发小组担任了五年的首席设计师，并担任CAD和Vault管理员。他是欧特克认证讲师和认证发明家专家。自 Inventor 软件问世以来，他一直使用该软件，并且精通各种其他设计软件。