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搞科普我是认真的：一文读懂3D打印拓扑优化、点阵结构、仿生设计（推荐）

时间: 2021-04-28 08:53:37 | 作者：Tech | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 115次

身为大老爷们工程师的我，就像有些女生一样，心里总有一个没有终点的目标，那就是减重、减重、还要减重！！！

身为大老爷们工程师的我，就像有些女生一样，隔壁住着一个油腻猥琐的老王，相互调戏是我俩心照不宣的默契。

今天，隔壁老王又找上门来，要我设计一个3D打印手柄。刚开始，我对老王的需求是这样理解的：

但是很显然，老王不是孙猴子派来的，这根又细又长的棍子是不能让他满意的。

“我要曲线，懂吗？优美的曲线！比如这样的，”

“还有这样的。”老王用手指快速翻动着他的手机屏幕。

设计师最怕没有灵感，一旦有了灵感，就算砖头都能设计出十个方案来。

掰弯之后的手柄果然看起来妩媚多了。

但是老王还不满意，拍拍我的肩膀说：“年轻人有前途，很了解客户的需求嘛。不过…….这曲线是有了，但是你们搞3D打印优化设计的，不是整天吹牛B吗？说什么轻量化，个性化，定制化，我看也就不过如此罢了。”

“老王，既然如此，3D打印设计的全套特殊服务你是不得不享受一下了。听说过拓扑优化吗？听说过点阵结构吗？听说过仿生设计吗？”

当时，老王的表情是这样的。

但是后来我才知道，我这个年轻人还是太冲动，自以为是的灵魂三问，是我踏上老王贼船的第一步。

我不得不给老王当起了科普讲解员。

结构优化一般分为三个层次：尺寸优化、形状优化、拓扑优化。

尺寸优化也叫参数优化，通过优化截面面积、厚度、直径等参数，寻求结构尺寸与性能的匹配。比如优化圆孔的直径大小。

形状优化是指改变结构的形状和边界，以寻求结构最理想的边界和几何形状，但不会改变其边界数量。比如优化圆孔为椭圆孔。

拓扑优化是指通过材料位置和数量的配置，以及材料布局与结点联结方式的优化，使结构满足应力、位移等约束条件，并将载荷传递到结构支撑位置，寻求结构的某种性能指标达到最优。简单来说，拓扑优化是一种材料重新分布的优化方法。比如一个开口优化为三个开口。

听了我如此专业的解释，老王马上就…....更加糊涂了。

老王开始挠头皮，似乎希望能摩擦出点思想的火花，但是我觉得这只能让他本就不太富裕的头顶雪上加霜。

为了拯救老王岌岌可危的头发，我赶紧拿老王熟悉的整容打比方。

尺寸优化就像是开眼角。

形状优化就像是拉双眼皮。

拓扑优化就是把多余的部分去掉，把不够的部分填上，该大的大，该小的小，就像是…….重新投胎。

如此生动又贴切的比喻，让老王马上就明白了什么是拓扑优化。“那么拓扑优化一共分几步？”

“答案是三步。”

1. 确定优化空间、载荷和约束

2. 拓扑优化软件计算

3. 优化结果重构

拓扑优化去除了原始结构中大量的材料，就像整容过度，后遗症不用我多说，难保它还像原装货那样牢靠。

所以拓扑优化要和点阵结构配合着用，才能组成海尔兄弟。

在拓扑优化过程中，去掉材料的部分形成了空洞，在空洞中填充点阵，既能让整个结构保持较高的刚度和强度，也能在3D打印过程中起到支撑的作用。

“那么什么又是点阵结构呢？”老王问道。

点阵是一种周期性空间结构，由大量相同的单胞周期性组合而成。

其设计思路是：首先设计一个单胞，然后用这个单胞为基础，不断复制阵列，大量的单胞就构成了点阵结构。

据我查阅大量文献考证，这样的设计思路是老子最早发表于《道德经》：道生一，一生二，二生三，三生万物。

由于轻质高效的结构形式及开放的内部空间，点阵结构被认为是最有应用潜力的结构功能一体化材料。

轻质、高强

点阵结构比强度和比刚度高，在低密度结构中有较大的力学性能优势。与传统的固体材料相比，金属点阵材料的密度大大降低，具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。与金属泡沫材料相比，金属点阵结构性能可控，强度和模量比金属泡沫材料高出一个量级，承载效率更高。

金属点阵结构可以满足航空航天、海洋、交通等领域，主要应用于承受载荷不大，但是具有多功能效果的非关键承载结构。

吸能

点阵夹芯结构具有非常理想的抗爆炸、抗冲击性能。点阵结构在冲击载荷下一般会发生动态失稳，结构内部发生大的塑性/弹性变形，进而吸收大部分冲击能量。

以空心管金属镍微点阵结构为例，将这类金属微点阵材料压缩到98%后，材料仍可以恢复到原来的形状。这种超弹性使其兼备极高的能量吸收能力，可以用作抗冲击结构。比如做成坦克防护装甲，可以有效保护内部人员与设备。

防热和隔热

与蜂窝和泡沫结构相比较，点阵结构空间可以作为散热或主动致冷通道，在强制对流下具有优良的传热性能，可以作为一种承受高密度热流结构。

对点阵结构孔隙进行隔热纤维填充，可起到优良隔热效果。点阵结构已经被考虑用于返航太空舱的热保护系统。

降噪

声波进入点阵材料后引起空气震动。由于震动受到曲折孔隙壁阻挡，空气与孔隙壁发生摩擦造成能量损失。经多次反射和折射后，原有入射声波大部分能量变成热量散失到环境中。

力学性能可设计

钛金属是一种常见的医学植入材料。但是由于它具有比人体骨骼更高的弹性模量，容易导致植入物和骨头之间的弹性失配。钛金属点阵结构的弹性模量会随着孔径的增加而减小，从而可以通过改变体积分数和点阵结构的尺寸分布来解决弹性模量匹配问题，使植入物具有量身定制的机械性能，与人体的骨骼匹配。此外，3D打印开放气孔结构便于骨内生长和整个植入物的结合。

多功能设计

金属点阵材料具有周期性结构，可以设计不同构型，改变结构孔隙大小，进一步设计分级和梯度结构。此外，根据点阵结构多孔特点，结合其吸能、降噪、散热、隔热、生物兼容性等特点进行结构多功能设计。结合结构力学性能和可设计性，对结构进行材料结构功能一体化设计，进而广泛应用到航空、航天、航海、医疗等领域。

更确切地说，点阵是大自然设计的，而且是大自然最神奇的设计之一。大自然中的所有晶体，都是由粒子排列而成的点阵。

比如，食盐是NaCl晶体。如果把食盐放大到原子级别，就可以看到每个Na原子旁边都有6个Cl原子包围着。

抽象的看，Na和Cl呈现一种面心立方结构。一粒食盐就是一个巨大的点阵结构。

自然界的晶体有千万种，但是组成晶体的点阵只有14种，是不是很神奇。

所以说大自然才是最好的设计师，人类很多设计都是在山寨大自然。当然，我们有一个高大上的说法：仿生学设计。

“仿生学设计，就是模仿动物嘛，我懂。”老王拍拍胸脯说道，“比如说这样的：”

“还有这样的。”

“呃…….你………这……….”我居然无言以对。

学术上说，仿生学是研究生物系统的行为、结构、原理、性质以及相互作用，为工程技术提供新的思想观念、系统构成以及工作原理的科学。

早在地球上出现人类之前，各种生物已在大自然中生活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力。

生物学的研究可以说明，生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具备了适应内外环境变化的能力。

对于结构设计师来说，大自然简直就是取之不尽用之不竭的结构模型库，而且每种结构都经过了亿万年的优化，绝对比人工优化要靠谱得多。

所以说，拓扑优化再漂亮，也没有天然美女让人看着舒服。

鸟巢就是一个很好的将各种要素高度融合的仿生设计实例，成为了结构力学和美学完美结合的典范。

蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，菱形钝角109°28’，锐角70°32’。这些结构与近代数学家精确计算出来的结果完全相同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们模仿其构造制成蜂巢式夹层板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星的理想材料。

蜻蜓翅膀布满纵横交错的翅脉，其中布满了翅膜。翅脉又分为纵脉和横脉，二者交织分布，构成类似网格的复杂多边形翅室( 其几何形态有三角形、四边形、五边形和六边形) 。从区域分布角度来看，在靠近翅根和翅前缘部位的主要为平行于翅展方向的规则四边形; 在靠近翅尖和翅后缘部，翅室以稠密的五边形和六边形居多，这对大面积薄壁结构的优化设计具有重要仿生意义。

“那你这个手柄用到了什么仿生学设计呢？”老王这次问到点子上了。

许多植物的茎部是管状结构，其截面是空心的。支持身体承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。这是因为在截面积相同的情况下，把材料尽可能放到远离中轴的位置上，是最有效的截面形状。这个手柄的设计，就是模仿了鸟类骨骼的结构。

其实，拓扑优化、点阵结构、仿生设计的思想早已有之，但在之前的几十年时间里一直默默无闻，隐匿江湖。因为古语有云：即使设计再牛X，造不出来也白搭。

直到3D打印技术突飞猛进的今天，设计师的思维不再受工艺条件的束缚，可以随心所欲的创造复杂结构零件，拓扑优化、点阵结构、仿生设计才守得云开见月明，其轻质高效、性能优异、外形美观的优势得以充分的展现。

“老王，你看我给你设计的这个轻量化手柄，是不是清秀中流露着强健，柔美中蕴含着力量，轻盈中展现着刚劲，就像这位世间难得一见的女子。”

“没错，它确实让我想起了一位世间难得一见的女子。记得那是一个初夏微醺的午后，阳光洒满大地，清风拂过山岗，湖面泛起粼粼波光。湖边凉亭中，一位身着长裙、头戴宽帽的女子，倚栏凭湖、凝神远眺。我从远处慢慢走近，看到她洁白润滑的肌肤与平静透亮的湖面融为一体，斑驳交织的吊带把她俏丽多姿的身材映衬得更加呼之欲出。一阵微风吹过，吹动了她的长发，冰肌玉骨，秀色可餐。当她感觉到有人从身后走来，蓦然回首，莞尔一笑，那明眸皓齿、杏脸桃腮的画面永远定格在我的脑海。今天看到这个手柄，犹如惊鸿一瞥，仿佛再次看到那个美若天仙姑娘，心里顿时又起波澜。”