作者：技術(shù)鄰 君莫 復(fù)合材料力學(xué)

拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）是根據(jù)給定的載荷工況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化可以得到最優(yōu)的傳力路徑。

拓?fù)鋬?yōu)化目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域，許多由拓?fù)鋬?yōu)化得到的結(jié)構(gòu)既美觀又使用，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合增材制造工藝可謂給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一場(chǎng)新的變革。

先來(lái)欣賞幾組拓?fù)鋬?yōu)化的美圖：

2017年發(fā)表在NATURE上的一篇文章，作者采用8000顆CPU對(duì)飛機(jī)整個(gè)機(jī)翼做了一個(gè)詳細(xì)的拓?fù)鋬?yōu)化，全三維實(shí)體網(wǎng)格，共計(jì)約11億單元，相當(dāng)龐大的計(jì)算量。

最終拓?fù)涑鰜?lái)的結(jié)構(gòu)與某些動(dòng)植物的結(jié)構(gòu)特征極為相似，所以又跟仿生學(xué)扯上了一點(diǎn)關(guān)系。這篇文章的機(jī)翼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然很不實(shí)用，但是很漂亮，為未來(lái)的結(jié)構(gòu)仿生布局設(shè)計(jì)倒是提供了一種不錯(cuò)的思路。

參照上述工作，又出現(xiàn)了許多類似的飛機(jī)全機(jī)、機(jī)翼、機(jī)身或部件的結(jié)構(gòu)布局拓?fù)鋬?yōu)化。

機(jī)身布局優(yōu)化

蘇57拓?fù)洳季?/p>

直升機(jī)機(jī)身拓?fù)鋬?yōu)化

機(jī)翼的前后緣拓?fù)鋬?yōu)化

旋翼機(jī)體拓?fù)鋬?yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙吊掛的拓?fù)鋬?yōu)化

機(jī)頭的布局優(yōu)化

A380飛機(jī)隔板優(yōu)化

變彎度后緣拓?fù)鋬?yōu)化

除了飛機(jī)，還有許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都用到了拓?fù)鋬?yōu)化。

摩托車的骨架設(shè)計(jì)

四驅(qū)車車體的優(yōu)化

汽車輪轂設(shè)計(jì)

車體結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化

車體的布局優(yōu)化

此外還有建筑領(lǐng)域：

除了大型結(jié)構(gòu)布局拓?fù)鋬?yōu)化之外，拓?fù)鋬?yōu)化目前更多的是用于典型細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，且這方面的應(yīng)用更加成熟一些，比如最常見的接頭設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)機(jī)械加工的接頭對(duì)比，拓?fù)鋬?yōu)化+增材制造的新型接頭強(qiáng)度高、重量輕，又美觀。

為了進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，近年來(lái)又發(fā)展出了在拓?fù)鋬?yōu)化的主路徑上填充輕質(zhì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的思路。但點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的3D打印質(zhì)量及內(nèi)部缺陷 檢測(cè)方面目前尚不成熟。