Altair Taiwan Blog

人們對 3D 列印或“增材製造”(AM) 的熱情與日俱增，絲毫沒有衰減的跡象。通過材料層疊來創造物體（而不是從更大的物塊中分離）的過程通常被認為擁有徹底改變製造行業的潛力。因此，來自各行各業的公司都試圖瞭解增材製造對其設計和製造流程的潛在影響。對於航空航太業來說，影響是確實存在的。航空航太業在增材製造的開發、實施和工業化過程中起到了引領作用。

Thales Alenia Space 是歐洲的一家航太製造商，在法國、義大利、西班牙、比利時、英國、德國和波蘭均設有辦事處。該公司面向國防、地球觀測、通信、導航和安全市場，主要進行空間系統的設計、集成、測試、運行和交付，在全球擁有約 7,500 名員工。

在對增材製造及該技術在空間衛星開發項目中的潛力進行探索的過程中，Thales Alenia Space 西班牙分公司希望開展一項研究項目，瞭解如何將設計優化技術與新製造技術結合在一起使用。在對開展研究的潛在合作夥伴進行詳細調查之後，Thales Alenia Space 選擇了 Altair ProductDesign。因為 Altair 在開發設計優化技術方面有著強大的專業水準，而且能夠將該技術有效地應用到航空航太業中。

Thales Alenia Space 選擇衛星的鋁制篩檢程式支架作為研究的測試案例，因為該支架需要能夠承受支撐元件的結構負載與通過篩檢程式的氣流的熱負載，以及太空中的溫度極限。

研究的主要目標是使用設計優化技術來降低支架的熱順性，同時還要優化元件重量並完善用於增材製造流程的最終設計。

Thales Alenia Space 已有兩個支架模型，一個用於熱分析，一個用於結構分析。Altair ProductDesign 的第一步是將這兩個模型轉換為可結合 HyperWorks 的 OptiStruct 結構分析求解器使用的格式，同時將這兩個模型合併起來，創建一個獨特的熱-結構模型。通過使用 HyperWorks 的 HyperMesh 前處理器來合併模型，可並行研究兩組約束的效果；這是在適當時間內找到滿足所有設計要求的最優設計的關鍵一步。

為確保此轉換流程沒有干擾到基準設計的預期性能，研究人員對新模型進行了分析並比較結果。比較內容包括 Thales Alenia Space 提供的模態、靜態、隨機和熱負載。研究團隊發現，兩個原始模型的性能與新合併版本的性能之間存在極度密切的相關性，這使得團隊對新模型充滿信心。

Altair ProductDesign 團隊對能夠準確表現物理支架的新模型感到滿意，於是他們開始進行接下來的設計優化階段。團隊使用 OptiStruct 來設置模型並指定多種約束，必須遵守這些約束條件才能獲得令人滿意的解決方案。例如，給定支架溫度、壓力和正常模式頻率的最小值和最大值，以及指定設計需要對稱面，而且在降低熱順性的同時至少減重 15 - 20%。

左：原始篩檢程式支架設計的幾何

右：定義熱-結構模型的可設計空間

（OptiStruct 提供的拓撲優化結果）

Altair ProductDesign 執行的優化流程的概括

左：拓撲結果由 Altair ProductDesign

解釋為可製造設計

右：已針對增材製造進行優化的

最終支架設計的渲染圖像

使用 OptiStruct 將支架劃分為“可設計”部分（OptiStruct 可移除材料的區域）和“不可設計”空間（不得移動材料的區域，例如固定點）。該資訊與來自 Thales Alenia Space 的結構和熱負載資料以及約束資料相結合。通過使用拓撲優化技術，OptiStruct 能夠推薦新的材料高效設計，從而將材料用到實處以符合性能標準，同時也能從不會對設計造成負面影響的區域中移除材料。OptiStruct 推薦的幾何隨後將由 Altair ProductDesign 工程師解釋為更加適合增材製造流程的佈局，並轉換為可製造的 CAD 模型。

通過將優化技術與增材製造相結合，可生成與原始設計有顯著差異的設計。如果 Thales Alenia Space 使用更傳統的製造方法，那麼為了能夠以經濟實惠的方式製造元件，則需要對 OptiStruct 在研究期間推薦的可高效利用材料的生動幾何進行大幅度修改。這些必要的改變通常會導致設計更重，使得解決方案不再具有理想重量和最優化的性能。通過將拓撲優化技術與增材製造相結合，可生產出與最優化平衡設計差距很小的新有機支架。

與基準相比，新支架設計的品質減輕了 48%，遠遠超過了 Thales Alenia Space 試圖實現的減重 15 – 20%。此外，新設計在成功降低篩檢程式支架熱順性的同時，保持了與較重的原始設計相同的結構性能。

該研究成功展示了與設計優化技術結合的增材製造會為 Thales Alenia Space 產品帶來的潛在影響。現在，僅需對理想形狀進行最低程度的編輯，就可以生成在拓撲優化流程中創建的重量合理且性能高效的獨特設計，這意味著能夠最大程度地減輕重量並節省材料。

事實證明，Altair 和 Thales Alenia Space 之間的協作是非常有意義的。公司的聯合工程師團隊現在正進行進一步研究，探索如何通過在支架設計中引入格狀結構來實現潛在的性能和重量改善。