基于增材思維的創(chuàng)成式正向設(shè)計(jì) 課件 第5-7章 結(jié)構(gòu)的生成與選擇、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件工具的使用、典型的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法-產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)方法

結(jié)構(gòu)的生成與選擇

——點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析目錄增材制造與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析案例應(yīng)用打造“基于正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化研制”體系促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展工業(yè)軟件增材制造工業(yè)互聯(lián)支撐正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化研發(fā)基于正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化制造孿生工業(yè)孿生城市孿生戰(zhàn)場正向設(shè)計(jì)高端裝備新工業(yè)品面向服務(wù)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化賦能仿真生態(tài)知識(shí)生態(tài)增材生態(tài)打造虛實(shí)共智的數(shù)字化業(yè)態(tài)數(shù)字孿生設(shè)計(jì)創(chuàng)新工業(yè)仿真精益研發(fā)增材先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造一體化解決方案增材先進(jìn)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)空間設(shè)計(jì)目標(biāo)初始設(shè)計(jì)工藝約束概念設(shè)計(jì)后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逆向工程點(diǎn)陣設(shè)計(jì)性能仿真點(diǎn)陣分析性能驗(yàn)證參數(shù)敏感性分析多學(xué)科優(yōu)化穩(wěn)健性/可靠性分析參數(shù)優(yōu)化擺放方向優(yōu)化支撐設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃宏觀控形仿真微觀控性仿真打印設(shè)計(jì)需求拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)工藝仿真增材工藝設(shè)計(jì)與仿真面向增材的設(shè)計(jì)決策增材制造技術(shù)使復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的大量生產(chǎn)及應(yīng)用成為可能性。增材制造與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)輕量化復(fù)合材料芯層變形隔離減振結(jié)構(gòu)熱熱交換器阻火器隔熱流體催化劑載體包裝浮體生物骨融合細(xì)胞生長仿生電磁電磁屏蔽電絕緣透電磁波常規(guī)三維CAD軟件，如UG,PRO-E,CATIA等。以體心立方結(jié)構(gòu)為例：根據(jù)長方體體對(duì)角線，建立四根支架，形成體心立方單元；體心立方單元向x、y軸兩個(gè)方向陣列，得到10×10個(gè)單元的“面”。由于模型特征數(shù)目多，陣列時(shí)速度較慢。多個(gè)“面”通過裝配形成待研究的體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。由于單個(gè)“面”特征數(shù)目多，采用復(fù)制或者陣列命令會(huì)由于計(jì)算機(jī)的硬件限制而造成特征生成失敗。耗費(fèi)資源、效率低，非常容易造成建模失敗，甚至需要用二次開發(fā)或?qū)Ｓ密浖斫鉀Q建模問題。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模內(nèi)置多種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，直接填充點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模1.點(diǎn)陣空間2.面片3.點(diǎn)陣參數(shù)4.點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——基于填充率進(jìn)行等密度填充輕量化設(shè)計(jì)-選取合適區(qū)域填充點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)例如：質(zhì)量密度0.4~0.6點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化到點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——基于有限元分析進(jìn)行變密度填充ANSYSTopology提供點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)1.點(diǎn)陣優(yōu)化2.點(diǎn)陣密度（填充率）3.基于點(diǎn)陣密度的Spaceclaim點(diǎn)陣生成4.變密度點(diǎn)陣全尺度實(shí)體建模仿真分析僅在理論上可行Discoverylive有一些嘗試，但其局限大縱橫比、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是Discovery需要避免的結(jié)構(gòu)，精度低，過于龐大的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)還是有困難硬件要求高具備實(shí)用潛力的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)算法梁模型多尺度算法點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析Disciverylive點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)計(jì)算，難以大規(guī)模應(yīng)用，但可作為小規(guī)模測試模型驗(yàn)證手段點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)抽取梁進(jìn)行整體分析，結(jié)合子模型進(jìn)行局部分析難點(diǎn)梁模型的抽取通常并不容易梁模型與實(shí)體模型的裝配關(guān)系的定義并不容易不具有普適性，很多點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形式并不適合梁模型簡化隨著單胞的增加，計(jì)算量也成為一個(gè)問題點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析——梁模型算法適合梁單元的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（隨著桿件截面的增加趨向于不適用）不適合梁單元的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)宏細(xì)觀結(jié)合等效均質(zhì)化算法具有普遍的適用性對(duì)于大量單胞數(shù)量的情況優(yōu)勢明顯，小型化單胞是設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢。剛度準(zhǔn)確，特別適合于剛度分析通過細(xì)觀分析可以驗(yàn)算局部強(qiáng)度難點(diǎn)細(xì)觀到宏觀：等效均質(zhì)化力學(xué)模型和參數(shù)宏觀到細(xì)觀：子模型算法變密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的計(jì)算多尺度算法適用性更廣，作為首選，著手解決以上難點(diǎn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真分析——多尺度算法點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)觀分析：子胞局部分析宏觀分析：等效均質(zhì)化分析細(xì)觀分析：子胞數(shù)值試驗(yàn)基于單個(gè)胞元結(jié)構(gòu)，建立數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用約束方程定義周期邊界計(jì)算等效材料屬性等效均質(zhì)化本構(gòu)模型：各向異性是必須的正交各向異性（Orthotropic）：力學(xué)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)正交各向異性在具有彈性對(duì)稱面，在材料主軸方向正應(yīng)變僅與正應(yīng)力有關(guān)，剪應(yīng)變僅與剪應(yīng)力有關(guān)一般各向異性（Anisotropic）：彈性矩陣一般各向異性不具有彈性對(duì)稱面，在任意方向正應(yīng)力可能引起正應(yīng)變或者剪應(yīng)變，剪應(yīng)力也可能引起正應(yīng)變或者剪應(yīng)變Ⅰ細(xì)觀分析-等效材料屬性

正交各向異性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一般各向異性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系支持點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)支持自定義計(jì)算類型：單一點(diǎn)陣密度多點(diǎn)陣密度Ⅰ細(xì)觀分析-等效材料屬性支持多種分析類型熱學(xué)分析力學(xué)分析Ⅱ宏觀分析——等密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)/密度的宏觀均質(zhì)化分析Ⅱ宏觀分析——變密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析與點(diǎn)陣優(yōu)化相結(jié)合，對(duì)優(yōu)化的變密度點(diǎn)陣進(jìn)行宏觀均質(zhì)化分析Ⅱ宏觀分析——變密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析均質(zhì)化分析點(diǎn)陣優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合，進(jìn)行點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化Ⅱ宏觀分析——點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化參數(shù)敏感性分析目標(biāo)優(yōu)化局部細(xì)觀分析進(jìn)行應(yīng)力校核提取關(guān)鍵部位的六個(gè)應(yīng)變分量該應(yīng)變分量施加于胞元進(jìn)行計(jì)算并確定局部應(yīng)力Ⅲ細(xì)觀分析-應(yīng)力校核MaterialDesigner：計(jì)算點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料屬性LatticeSimulation：完整的細(xì)→宏→細(xì)觀的多尺度分析點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析專用工具LatticeuserdefinedLatticeBuilt-inHomogenizationMacroAnalysisLocalAnalysis剛度分析LatticeSimulation對(duì)比驗(yàn)證材料參數(shù)幾何參數(shù)載荷E=2.0e11Pav=0.3長度：150mm寬度：50mm厚度：17mm孔徑：15mmP=-10000PaANSYSDiscoveryLatticeSimulationANSYSDiscoveryANSYSMechanical誤差最大變形0.393mm0.384mm0.25%最大應(yīng)力0.242MPa0.2449MPa0.11%模態(tài)分析：LatticeSimulation對(duì)比驗(yàn)證材料參數(shù)幾何參數(shù)點(diǎn)陣參數(shù)邊界條件E=2.0e11Pav=0.3長度：152.8mm寬度：54mm厚度：20.2mm長度：1mm壁厚：0.3mm體積分?jǐn)?shù)：21.2%左端固定階數(shù)ANSYSDiscoveryLatticeSimulation誤差1699.3Hz698.6Hz0.1%21472.4Hz1479.9Hz0.5%32851.3Hz2778.1Hz2.6%點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)剖面圖胞元結(jié)構(gòu)等效均質(zhì)化實(shí)體優(yōu)化目標(biāo)：輕量化設(shè)計(jì)站立時(shí)，腳掌底部受力均勻優(yōu)化策略：采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使得鞋底的重量盡可能低；將鞋底劃分為45個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域填充不同體積分?jǐn)?shù)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，從而具有不同的剛度；通過插值可獲得任意體積分?jǐn)?shù)下的彈性矩陣；案例1：鞋中底優(yōu)化設(shè)計(jì)Dff體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)體積分?jǐn)?shù)f的彈性矩陣?yán)胦ptiSLang進(jìn)行優(yōu)化以確定各子域?qū)?yīng)的填充點(diǎn)陣的體積分?jǐn)?shù)，獲得滿足目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)組合，使得鞋底上表面受均勻壓力。案例1：鞋中底優(yōu)化設(shè)計(jì)0.3070.6240.6870.3070.2530.3400.3160.2900.2890.0860.5010.4930.6970.6090.7070.4130.2810.2120.1390.3840.4280.4730.5310.4610.5730.5980.6450.6410.1410.1390.2270.2750.3430.3590.3440.4660.2080.2850.3110.2050.1400.5000.4220.2160.140Y方向變形X方向變形材料：鈦合金優(yōu)化目標(biāo)：在有限的空間內(nèi)盡可能地提高容積，并減小質(zhì)量；約束條件：四個(gè)螺孔設(shè)置固定約束內(nèi)腔施加42MPa案例2：壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)鈦合金楊氏模量107GPa泊松比0.32屈服強(qiáng)度1098MPa原始設(shè)計(jì)應(yīng)力分布變形分布概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)化幾何模型參數(shù)化均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元模型優(yōu)化結(jié)構(gòu)定型設(shè)計(jì)驗(yàn)證細(xì)觀晶格驗(yàn)證最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)準(zhǔn)則評(píng)價(jià)優(yōu)化分析變量空間、目標(biāo)函數(shù)及邊界條件參數(shù)優(yōu)化案例2：壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋板內(nèi)、外殼體內(nèi)部支撐筋板均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)LatticeSimulationOptislangOptislang目標(biāo)優(yōu)化質(zhì)量最小案例2：壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)加筋殼體應(yīng)力分布均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)名稱變量函數(shù)表達(dá)式目標(biāo)函數(shù)總質(zhì)量MIN約束條件容積>2.5L最大等效應(yīng)力<1098MPa強(qiáng)度校核案例2：壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)支持點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)建模及設(shè)計(jì)優(yōu)化多尺度算法基于細(xì)觀-宏觀-細(xì)觀的分析方式，可準(zhǔn)確、高效求解點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合，進(jìn)行變密度點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證分析與參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合，進(jìn)行點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化總結(jié)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件工具

目錄新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景第1課授課教師：

新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維

新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維相較傳統(tǒng)制造模式，增材制造最突出的優(yōu)點(diǎn)是快速、簡便、易行——其縮短了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的流程，提升了制造彈性，能夠精準(zhǔn)的滿足用戶需求，可以服務(wù)于單件小批制造模式。這些優(yōu)勢使增材制造成為了與傳統(tǒng)減材制造并駕齊驅(qū)的生產(chǎn)技術(shù)，并逐漸對(duì)產(chǎn)品研發(fā)模式產(chǎn)生影響?！霸霾闹圃旒夹g(shù)是引領(lǐng)未來制造業(yè)趨勢的眾多突破之一，將成為第三次工業(yè)革命到來的標(biāo)志”——2012年4月，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》報(bào)道

設(shè)計(jì)和工藝的最佳融合誕生了增材制造技術(shù)，它對(duì)于傳統(tǒng)減材制造的設(shè)計(jì)理念是顛覆的。隨著增材制造研究的飛速發(fā)展，以及其在應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)減材制造的設(shè)計(jì)模式已嚴(yán)重制約了增材制造的優(yōu)勢，因此其對(duì)專業(yè)設(shè)計(jì)的需求也極其迫切。近年來，國內(nèi)外研究人員不斷根據(jù)增材制造的成型特點(diǎn)，積極拓展設(shè)計(jì)思路，逐步完善了全新的服務(wù)于增材制造的設(shè)計(jì)理念。新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維

隨著人們物質(zhì)文化生活水平的提高，消費(fèi)需求逐漸呈現(xiàn)出差異化、多樣化、個(gè)性化、情緒化等特征，究其原因，是因?yàn)槲镔|(zhì)上的富足使人們更加注重自我的情感需求。個(gè)性化鮮明的產(chǎn)品，能夠突顯情趣化、概念化、差異化的特征，恰恰滿足了消費(fèi)者求新、求異、追求多層次、高層次的心理欲望，因而倍受青睞。

得益于增材制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的鏈條大大縮短，制造效率迅速提升，在這樣一種背景下，定制化設(shè)計(jì)、用戶參與設(shè)計(jì)等新型設(shè)計(jì)模式逐漸進(jìn)入人們的視野，全民參與設(shè)計(jì)，制造出凝聚自己智慧與勞動(dòng)、傾注了豐富的個(gè)人情感的自己專屬的產(chǎn)品必將成為一種趨勢。新的設(shè)計(jì)思考——基于系統(tǒng)性的增材思維第2課授課教師：

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（GD）是一個(gè)人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過程。基于設(shè)計(jì)師/工程師的設(shè)計(jì)意圖，通過“創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成一系列可行性設(shè)計(jì)方案的三維數(shù)字模型，通過綜合對(duì)比，篩選出最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行決策。

目前比較著名的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括RobertMcNeel&Assoc旗下Rhino軟件的Grasshopper模塊，Autodesk的Within、Dreamcatcher，西門子的SolidEdgeST10等。GD將激發(fā)設(shè)計(jì)師獲得更多思維靈感，創(chuàng)造出擁有非同尋常的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作品。增材制造技術(shù)則可以將這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)體，可以預(yù)見，在不久的將來GD與增材制造將會(huì)更好的結(jié)合，推進(jìn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展。

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念西門子是應(yīng)用GD開發(fā)產(chǎn)品的行業(yè)先鋒之一。他們將拓?fù)鋬?yōu)化引入到SolidEdge3D產(chǎn)品開發(fā)工具包中，設(shè)計(jì)者可定義特定的材料、設(shè)計(jì)空間、允許的載荷和約束及目標(biāo)權(quán)重，該軟件可自動(dòng)計(jì)算幾何解法。這些結(jié)果可以立即在增材制造設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)，或是在SolidEdge中進(jìn)一步優(yōu)化，以用于傳統(tǒng)制造。SolidEdge提出基于生物進(jìn)化與CAD的設(shè)計(jì)結(jié)合，以實(shí)例展示其功能。SolidEdge界面圖片來源網(wǎng)絡(luò)

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念在SolidEdgeST10系統(tǒng)中，用戶可以為零件制定負(fù)載，例如力、壓力或扭矩，然后指定與周圍零件有裝配關(guān)系的面不允許改變，再指定固定的面，就完成了約束條件的設(shè)定。用戶還可以指定研究精度、希望減少的目標(biāo)質(zhì)量和安全系數(shù)。如果要求的安全系數(shù)高，要求質(zhì)量減少幅度又太大，可能無法獲得有效的結(jié)果。SolidEdge模型圖片來源網(wǎng)絡(luò)

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的概念隨后SolidEdge進(jìn)行多次迭代運(yùn)算（類似生命體的逐代進(jìn)化），產(chǎn)生最終的優(yōu)化結(jié)果，并且在優(yōu)化結(jié)果中還能顯示應(yīng)力的分布情況。SolidEdge的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將CAD設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和CAE（ComputerAidedEngineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）分析無縫集成在一起。SolidEdge模型圖片來源PrototypeToday

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法流程

GD是CAD、CAE、OPT技術(shù)的融合。首先通過CAD工具完成產(chǎn)品初始實(shí)體的建模工作，再通過OPT（Optimization，優(yōu)化技術(shù)）進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行重構(gòu)，最后利用CAE工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)比幾種優(yōu)化方案后，選擇最優(yōu)的一種。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)流程圖圖片來源網(wǎng)絡(luò)

新的設(shè)計(jì)方法——?jiǎng)?chuàng)成式設(shè)計(jì)：創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法流程優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)師從眾多設(shè)計(jì)方案中獲得較為完善的最優(yōu)方案，因此在GD中十分重要。根據(jù)設(shè)計(jì)變量的類型，優(yōu)化設(shè)計(jì)分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，GD方法已經(jīng)被大量運(yùn)用。對(duì)于超出設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的新型結(jié)構(gòu)來說，GD是最有效的設(shè)計(jì)工具。但區(qū)別于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)模式，GD面臨一個(gè)極大的難題：結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，可制造性差，依靠傳統(tǒng)的制造方法根本無法制造出產(chǎn)品原型。不過，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，通過創(chuàng)出式設(shè)計(jì)完成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)就能夠在短時(shí)間里被加工制造出來。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：GD編程環(huán)境

GD可以通過多種語言實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)，其中較為常用的是Processing語言，該語言于2001年由麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室提出，主創(chuàng)者為BenFry和CaseyReas，項(xiàng)目發(fā)起的初衷，本是為了滿足他們自身的教學(xué)和學(xué)習(xí)需要。后來，當(dāng)Casey在意大利的伊夫雷亞交互設(shè)計(jì)學(xué)院（InteractionDesignInstituteIvrea）進(jìn)行教學(xué)的時(shí)候，基于Processing，衍生出了Wiring和Arduino項(xiàng)目。Processing完成的平面作品圖片來源網(wǎng)絡(luò)

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：GD編程環(huán)境

Processing項(xiàng)目是Java語言開發(fā)的，所以Processing天生就具有跨平臺(tái)的特點(diǎn)，同時(shí)支持Linux、Windows以及MacOSX三大平臺(tái)，并且支持將圖像導(dǎo)出成各種格式。對(duì)于動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序，甚至可以將Processing應(yīng)用程序作為Java?applet導(dǎo)出以用在Web環(huán)境內(nèi)。Processing免費(fèi)供設(shè)計(jì)愛好者們下載使用，官網(wǎng)：。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件Grasshopper3D（Rhinoceros插件）Rhino是1998年美國RobertMcNeel公司推出的一款基于NURBS為主三維建模軟件。NURBS是Non-UniformRationalB-Splines的縮寫，即非均勻有理B樣條。NURBS是專門做曲面造型的一種設(shè)計(jì)手法，其造型總是由曲線和曲面來定義的，所以要在NURBS表面里生成一條有棱角的邊是很困難的。因此設(shè)計(jì)師可以利用這一特點(diǎn)做出各種復(fù)雜的曲面造型或表現(xiàn)特殊的效果，如特殊的紋理或流線型的跑車等。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件Grasshopper3D（Rhinoceros插件）

Grasshopper（簡稱GH）是一款基于Rhino環(huán)境，采用程序算法生成模型的插件，是目前設(shè)計(jì)專業(yè)內(nèi)參數(shù)化設(shè)計(jì)的入門軟件。與傳統(tǒng)建模工具相比，GH的最大的特點(diǎn)是可以向計(jì)算機(jī)下達(dá)更加高級(jí)復(fù)雜的邏輯建模指令，使計(jì)算機(jī)根據(jù)擬定的算法自動(dòng)生成模型結(jié)果。通過編寫建模邏輯算法，機(jī)械性的重復(fù)操作可被計(jì)算機(jī)的循環(huán)運(yùn)算取代；同時(shí)設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)模型中植入更加豐富的生成邏輯。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件GenerativeComponents（BentleySystems）

GenerativeComponents一是款計(jì)算型建筑設(shè)計(jì)軟件，能快速瀏覽最復(fù)雜建筑的大批“假設(shè)”方案，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)更多潛在機(jī)會(huì)，有效地創(chuàng)建和管理復(fù)雜的幾何關(guān)系圖。通過自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程，能夠加速設(shè)計(jì)迭代，追求形式更自由的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可以進(jìn)行前所未有的設(shè)計(jì)和探索。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件DynamoforRevit

Dynamo是基于Revit的參數(shù)化設(shè)計(jì)的輔助工具，它可以實(shí)現(xiàn)Revit自身無法實(shí)現(xiàn)的功能，功能極其豐富和強(qiáng)大。同時(shí)Dynamo也是一種編程工具，它的程序非常靈活，可以跨行業(yè)規(guī)程進(jìn)行使用。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：基于建模軟件的GD插件DynamoforRevitDynamo也是一種可視化編程工具，用于定義關(guān)系和創(chuàng)建算法，可以在3D空間中生成幾何圖形和處理數(shù)據(jù)。在使用Dynamo電池的時(shí)候，使用者需要像程序員一樣思考，不僅要熟悉3D模型的構(gòu)建流程，還需要知道各個(gè)電池組件之間的關(guān)系。使用者想要成功地利用Dynamo進(jìn)行參數(shù)化應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)在于充分掌握Dynamo的工作方式，并且需要在構(gòu)建參數(shù)化前建立一個(gè)清晰的規(guī)劃過程。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：具有GD功能的典型CAD軟件Catia/GenerativeCatia/Generative是法國達(dá)索公司開發(fā)的一種創(chuàng)成式三維建模軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)面向生產(chǎn)加工的復(fù)雜造型構(gòu)建，具有以下基本功能創(chuàng)成式工程繪圖GDR、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)GSD、創(chuàng)成式曲面優(yōu)化GSO、創(chuàng)成式零件結(jié)構(gòu)分析GPS、創(chuàng)成式裝配件結(jié)構(gòu)分析GAS。DigitalProject(DP)參數(shù)化建模軟件，是以Catia為基礎(chǔ)精簡改進(jìn)而成，被去除了大量被認(rèn)為在建筑領(lǐng)域不需要的功能。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：具有GD功能的典型CAD軟件Autodesk/Netfabb

美國歐特克公司在涉足制造業(yè)產(chǎn)品后，先后收購了包括Moldflow、Delcam以及PanComputing在內(nèi)的一系列軟件和制造加工企業(yè)，在整合資源后推出了Autodesk/Netfabb創(chuàng)成式工程軟件。在AutodeskNetfabb的解決方案中，融合了Delcam的機(jī)加工技術(shù)和PanComputing用于增材制造的模擬仿真軟件，是目前行業(yè)中真正具備生產(chǎn)實(shí)踐能力的軟件系統(tǒng)之一。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的軟件概述：具有GD功能的典型CAD軟件SolidEdgeST10SolidEdgeST10是一款由西門子公司發(fā)布的功能強(qiáng)大、操作友好的全新模型設(shè)計(jì)軟件，SolidEdgeST10采用全新的創(chuàng)成式建模、增材制造和逆向工程功能（所有這些功能均通過Siemens收斂建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)），可以簡化復(fù)雜的設(shè)計(jì)和制造過程。并且以全新的設(shè)計(jì)技術(shù)、增強(qiáng)的流體和熱傳遞分析以及云協(xié)同工具，為設(shè)計(jì)、仿真和協(xié)作提供強(qiáng)大的附屬功能，全面提升產(chǎn)品開發(fā)每個(gè)階段的效率和質(zhì)量。同時(shí)搭配使用拓?fù)鋬?yōu)化與創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工具，優(yōu)化產(chǎn)品的重量、強(qiáng)度和材料用量，使設(shè)計(jì)人員能夠大幅提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，顯著增強(qiáng)幾何體處理能力。第4課授課教師：

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹

GD+AM技術(shù)融合應(yīng)用的實(shí)例較多。從個(gè)性化定制的家具，仿真骨骼，到自行車鏈條、汽車航空航天零部件等等，這樣的案例已屢見不鮮。具體來說，主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域：（1）航空航天、國防軍工：如鈦合金關(guān)鍵大型承力結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片零部件的設(shè)計(jì)與制造。（2）汽車等工業(yè)制造業(yè)：高端汽車或賽車的概念設(shè)計(jì)、原型制作、產(chǎn)品評(píng)審、功能驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜零件的直接和間接制造，異形復(fù)雜表面零部件的制造。（3）醫(yī)療：仿生骨骼、假肢等。（4）消費(fèi)品：個(gè)性化家具，時(shí)尚首飾和配飾、服裝鞋帽等的直接制造。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹大型客機(jī)組件

2015年12月，Autodesk公司對(duì)外公開了其首次應(yīng)用金屬增材制造方式，為空客A320飛機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目采用GD模式，由空客公司和Autodesk的TheLiving工作室共同開發(fā)，采用了空客子公司APWorks開發(fā)的一種新型超強(qiáng)輕質(zhì)合金材料Scalmalloy（鋁－鎂－鈧合金），通過DMSL技術(shù)制備而成。這種新型的仿生隔離結(jié)構(gòu)由若干個(gè)不同部件組成，采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度更高，并且使整個(gè)增材制造的機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)比之前要輕45%（約30kg）。基于增材制造技術(shù)加工的A320客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹大型客機(jī)組件為了創(chuàng)造出盡可能耐用和輕量化的隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)尋求從自然界獲取靈感，基于定制算法模擬細(xì)胞結(jié)構(gòu)和骨骼生長；此外，團(tuán)隊(duì)還通過模擬睡蓮的強(qiáng)結(jié)構(gòu)來探索如何減輕部件質(zhì)量，以及從魚的下顎形態(tài)中尋求靈感來改進(jìn)扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)。目前，該增材制造的仿生隔離結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過了16G過載測試，并且順利成為了A320客機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)組件。A320客機(jī)

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹超輕型電動(dòng)摩托車空中客車集團(tuán)APWorksGmbH發(fā)布了世界上第一輛3D打印摩托車LightRider，這款3D摩托車最大的特點(diǎn)是重量輕、結(jié)構(gòu)優(yōu)，其車身總重量僅為35公斤，比普通的電動(dòng)摩托車輕30%。而空客集團(tuán)能取得這樣的突破，與其綜合應(yīng)用兩大技術(shù)有重大關(guān)系，一是采用了由3D打印技術(shù)制成的超強(qiáng)且輕質(zhì)合金材料Scalmalloy；二是通過創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)，將框架設(shè)計(jì)成仿生力學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了材料的最佳分布。LightRider摩托車

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹超輕型電動(dòng)摩托車

LightRider樣機(jī)展示了利用拓?fù)鋬?yōu)化、新材料、增材制造以及仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程的益處，即整體減重和提升性能的潛力。這些數(shù)字很好表達(dá)了這一能力：摩托車總重量為35公斤，車架的重量只有6公斤，這輛4千瓦的電動(dòng)車從0加速到45公里/小時(shí)，只需3秒鐘。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：不同領(lǐng)域的應(yīng)用介紹有史以來最長的航天部件

RUAGSpace是歐洲航空航天行業(yè)的領(lǐng)先設(shè)備供應(yīng)商，利用先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化了有史以來最長的工業(yè)級(jí)3D打印航天部件之一。借助優(yōu)化方法，制造商可確定哪些材料在結(jié)構(gòu)中是必不可少的，而哪些材料在移除后不會(huì)對(duì)性能造成負(fù)面影響，并就此來減輕重量。通過優(yōu)化過程可確定理想的材料布局，再通過增材制造技術(shù)則可構(gòu)造出更接近這一理想設(shè)計(jì)的形狀。RUAGSpace利用增材制造方法生產(chǎn)的航天器部件

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：未來發(fā)展前景融合IoT利用物聯(lián)網(wǎng)IoT技術(shù)，設(shè)計(jì)工程師將有機(jī)會(huì)獲得之前絕無可能的產(chǎn)品洞察。利用支持IoT的產(chǎn)品或設(shè)備，可以將產(chǎn)品的使用數(shù)據(jù)流傳輸?shù)焦こ處熓种?。通過對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)工程師可以更加了解產(chǎn)品的實(shí)地使用情況、客戶通常會(huì)在哪些方面遇到問題，以及哪些功能不常用。這些分析結(jié)果可以為后續(xù)的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)提供寶貴的建議，以便圍繞產(chǎn)品增強(qiáng)做出更好的決策，例如，如何提高易用性、從哪些方面提高質(zhì)量，以及哪些創(chuàng)新想法最能讓客戶受益。借助這些有力的洞察，工程師將獲得前所未有的能力，可以對(duì)他們產(chǎn)品的競爭力產(chǎn)生直接影響。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：未來發(fā)展前景融合VR、AR通過觸摸智能手機(jī)屏幕來執(zhí)行操作或者通過觸摸視覺標(biāo)記來執(zhí)行操作，將設(shè)計(jì)作品疊加到真實(shí)環(huán)境，將不同的假設(shè)和原型直觀呈現(xiàn)出來?；赩R/AR技術(shù)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得更快速、更智能。將創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與VR/AR融合，可以幫助相關(guān)部門用最短的時(shí)間正確理解產(chǎn)品，此外，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能力，也可將通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的產(chǎn)品信息，更加直觀的展示。未來，將通過連通數(shù)字和物理世界來展開產(chǎn)品評(píng)審工作，物理樣機(jī)已成為過去。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用及前景：未來發(fā)展前景融合云基于云的架構(gòu)，用戶通過各種終端（PC、手機(jī)、平板）在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下打開瀏覽器登錄并開展創(chuàng)成式設(shè)計(jì)相關(guān)工作。這種模式顛覆了以往的對(duì)CAD、CAE、OPT工具的使用習(xí)慣，工作模式也會(huì)隨之發(fā)生極大變化。借助網(wǎng)絡(luò)及云端工具，IT部門不再擔(dān)心公司電腦的更新?lián)Q代，協(xié)作單位也不需考慮CAD、CAE、OPT工具版本的問題，對(duì)于研發(fā)人員遍布全國或者國外的企業(yè)來說，將創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的過程遷入云端無疑是一大福音。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)創(chuàng)新方法介紹目錄產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)概述

系統(tǒng)創(chuàng)新方法

產(chǎn)品規(guī)劃和概念開發(fā)目標(biāo)

產(chǎn)品——指工程化的、分離的、有形的產(chǎn)品，如圖所示的技術(shù)系統(tǒng)，主要包括：機(jī)械產(chǎn)品（含：結(jié)構(gòu)類零部件、機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能化機(jī)械）動(dòng)力裝置科學(xué)儀器運(yùn)動(dòng)器材電子類產(chǎn)品健康、醫(yī)療類設(shè)備，或植入物等MEMS設(shè)計(jì)——將人們生腦中思考的物體變成實(shí)際物體形式，為此而做出全部信息數(shù)據(jù)的工作，包括：工程設(shè)計(jì)（機(jī)械、電子、軟件）工業(yè)設(shè)計(jì)（美學(xué)、人機(jī)工程、用戶界面）產(chǎn)品開發(fā)——始于發(fā)現(xiàn)市場機(jī)會(huì)，止于產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售和交付，由一系列活動(dòng)組成結(jié)構(gòu)體動(dòng)力源傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作端傳感器信息處理單元驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)成功的產(chǎn)品開發(fā)可以使產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售實(shí)現(xiàn)盈利。從五個(gè)維度來評(píng)估：產(chǎn)品質(zhì)量：優(yōu)良特性？滿足顧客需求？穩(wěn)健性（robust）和可靠性？顧客愿意支付的價(jià)格？市場份額？產(chǎn)品成本：制造成本？包括固定設(shè)備和工藝裝備費(fèi)用，以及為生產(chǎn)每一單位產(chǎn)品所增加的邊際成本開發(fā)時(shí)間：團(tuán)隊(duì)能以多塊的速度完成產(chǎn)品開發(fā)工作？開發(fā)成本：開發(fā)活動(dòng)的花費(fèi)？開發(fā)能力：根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)和企業(yè)能夠更好地開發(fā)未來產(chǎn)品嗎？成功的產(chǎn)品開發(fā)的特點(diǎn)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)的五個(gè)原則：最小生產(chǎn)成本原則最小空間需求原則最小重量原則最小損失原則優(yōu)化操縱原則設(shè)計(jì)的四個(gè)要素：原理材料形狀尺寸市場營銷部門表述市場機(jī)會(huì)定義細(xì)分市場設(shè)計(jì)部門考慮產(chǎn)品平臺(tái)與產(chǎn)品架構(gòu)評(píng)估新技術(shù)制造部門識(shí)別生產(chǎn)限制指定供應(yīng)鏈策略其他職能部門研究：證實(shí)現(xiàn)有技術(shù)財(cái)務(wù)：提供計(jì)劃目標(biāo)常規(guī)管理：分配資源基本的產(chǎn)品開發(fā)流程階段0:規(guī)劃階段1:概念開發(fā)階段2:系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段3:詳細(xì)設(shè)計(jì)階段4:測試與改進(jìn)階段5:試產(chǎn)擴(kuò)量任務(wù)批準(zhǔn)概念審批系統(tǒng)審批關(guān)鍵設(shè)計(jì)審批準(zhǔn)許生產(chǎn)項(xiàng)目評(píng)審收集顧客需求識(shí)別主要用戶識(shí)別競爭產(chǎn)品調(diào)查產(chǎn)品概念的可行性開發(fā)工業(yè)設(shè)計(jì)概念建立并測試實(shí)驗(yàn)原型機(jī)評(píng)估制造成本評(píng)估生產(chǎn)可行性財(cái)務(wù)：便于經(jīng)濟(jì)分析法律：調(diào)查專利問題編制產(chǎn)品選擇和擴(kuò)展的產(chǎn)品系列計(jì)劃開發(fā)產(chǎn)品架構(gòu)定義主要子系統(tǒng)及接口優(yōu)化工業(yè)設(shè)計(jì)初步的部件工程確定關(guān)鍵部件的供應(yīng)商進(jìn)行自制-外購分析確定最終裝配方案財(cái)務(wù)：自制-外購分析服務(wù)：確定服務(wù)問題編制市場營銷計(jì)劃確定零件幾何形狀選擇原材料分配公差完成工業(yè)設(shè)計(jì)控制文件定義部件生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)工藝裝備確定質(zhì)量保證流程長周期工藝裝備的采購改進(jìn)和優(yōu)化物料便利現(xiàn)場測試測試全部的性能、可靠性、耐久性獲取監(jiān)管機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)評(píng)估環(huán)境影響實(shí)施設(shè)計(jì)變更啟動(dòng)供應(yīng)鏈生產(chǎn)活動(dòng)完善制造與組裝流程培訓(xùn)員工改進(jìn)質(zhì)量保證流程銷售：編織銷售計(jì)劃向關(guān)鍵顧客提供早期產(chǎn)品評(píng)估早期的產(chǎn)出開始整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行總體管理：進(jìn)行項(xiàng)目后的評(píng)估流程類型基本型（市場拉動(dòng)）產(chǎn)品從一個(gè)市場機(jī)會(huì)出發(fā)，選擇合適的技術(shù)滿足顧客需求，如：運(yùn)動(dòng)器材、工具技術(shù)推動(dòng)型產(chǎn)品從一個(gè)新技術(shù)開始，然后找到一個(gè)合適的市場，如：采用一種新材料的產(chǎn)品平臺(tái)型產(chǎn)品新產(chǎn)品將圍繞已建成的技術(shù)子系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，如：電腦、打印機(jī)流程密集型產(chǎn)品產(chǎn)品的特性很大程度上被生產(chǎn)流程所限制，如：半導(dǎo)體、化學(xué)品定制型產(chǎn)品新產(chǎn)品與現(xiàn)有產(chǎn)品相比有略微的變化，如：發(fā)動(dòng)機(jī)、開關(guān)、電池、容器高風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品技術(shù)或市場的不確定性導(dǎo)致失敗風(fēng)險(xiǎn)較高：