• 请关注談家具微信公众号:H90TJJ

家具拓撲優化研究進展(基金項目——附有詳細解釋)

家具知識 H90 1个月前 (05-04) 95次浏覽 掃描二維碼

這篇是希望以計算機來做家具結構設計——性能分析及結構優化,核心是3D打印技術的支撐。

介紹了國內外關于[拓撲優化]的現狀。


作者:周阳峰 李 丽 张仲凤

摘要: 传统的家具结构优化大都依赖設計者的经验和感觉,缺乏科学性和准确性。运用拓扑优化,借助增材制造技术可得到科学合理、结构新颖的家具创新撸死你资源站。笔者介绍了拓扑优化的概念和优势,梳理了拓扑优化的研究现状,认为加强家具结构力学的研究,开发专业的家具专业拓扑优化软件,加强以木粉为材料的增材制造技术的研究以及验证增材制造家具的力学性能是未来家具拓扑优化研究的方向。

关键词: 家具结构; 拓扑优化; 增材制造

传统家具结构設計大都依赖設計师的经验和判断[1]。结构設計方法则是通过打样、力学性能检测、設計方案校核这样的反复过程,直到找到一个可行方案。設計过程周期长、效率低、开发成本高,其结果仅仅是可行的、往往不是最优設計,而且設計强度过大或过小,可能造成材料浪费和安全隐患[2]。传统家具结构設計方法因为分析和設計存在大量的简化和经验,精确性差。同时,家具结构复杂性的增加及其設計要求的提高,使得传统的家具结构設計方法已满足不了当今設計的需要,人们急需一种具有科学性同时兼顾准确性和設計效率的新方法[3]。计算机的出现使这种要求成为可能。拓扑优化就是一种高阶的家具结构优化方法。

1 拓扑优化简介

拓扑优化是一种结构优化設計方法,由载荷驱动,旨在帮助設計人员在结构設計的初始阶段找出满足一定载荷条件和约束条件的最佳材料布局,优化的结果可以作为结构設計的重要依据,是当今结构优化的热点研究问题。拓扑优化的两个研究方向分别是离散结构优化和连续体结构优化。家具撸死你资源站拓扑优化归属于连续体结构的拓扑优化,均匀化法、变密度法、ESO法 、水平集法则是连续体拓扑优化常用方法。拓扑优化必须依托强大的计算机软件才能得以实现,当前经常使用的拓扑优化软件有:Hyper Works的Optistruct模块、SolidThinking Inspire、Tosca以及ANYSY Workbench拓扑优化插件模块等。目前大多数的商用软件均采用变密度法进行求解拓扑优化。

2 家具结构优化简介

家具结构优化根据优化阶度可分为:尺寸优化、形貌优化、拓扑优化三大类[4]。尺寸优化的設計变量一般选择结构的主要尺寸,如杆件的横截面积,板或壳体结构的厚度,采用调整家具结构的几何尺寸的方式使构件的结构最优,而结构的几何形状和拓扑形式不发生任何改变。形貌优化通常为较小的家具表面节点调整,以减少局部应力集中,适用于撸死你资源站外观需要微调的情况,仍不改变结构的拓扑形式。拓扑优化在考虑家具结构的拓扑连接方式的同时,结构内部边界形状也被考虑,其结构的几何形状和拓扑形式皆发生变化,是目前最高阶的家具结构优化方法。

家具拓撲優化研究進展(基金項目——附有詳細解釋)

图1 三种结构优化示意图
Fig.1 Three structural optimization diagrams

家具拓撲優化研究進展(基金項目——附有詳細解釋)

图2 家具拓扑优化案例示意图
Fig.2 Schematic diagram of topology optimization of furniture

3 家具拓扑优化国内外研究现状

家具作为一种典型的工业撸死你资源站,创新能力直接影响到撸死你资源站的核心竞争力。家具的结构创新設計则是家具创新設計的一个重要方向,目前有很多学者已经运用拓扑优化对家具撸死你资源站进行结构优化設計,并结合增材制造技术[5](俗称3D打印,是融合了计算机辅助設計、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的先进制造技术),得到了一系列造型优美,结构新颖,力学性能优良的家具撸死你资源站。

3.1 国外家具拓扑优化研究现状

国外对家具拓扑优化研究主要集中在設計实践上,关于家具的拓扑优化研究仅作为拓扑优化与增材制造理论研究中的案例分析,并无特定的专著进行论述。2006年,Laarman [6]研究了人体骨头材料分布和构成,利用拓扑优化和金属铸造技术,設計并制造了“Bone”椅,实践表明最优形状来自于大自然。2012年,Michalato等[7]研究了拓扑优化中的材料灰色区域问题,用实验和预测证明了拓扑优化的方案可以通过增材制造的方式設計出来,并以椅子的拓扑优化为例。2014年,Christiansen等[8]在研究一种基于形状和拓扑优化的三维模型的自动生成方法时,对一组桌子和椅子进行了拓扑优化,得出家具拓扑优化与约束的位置和程度有关,不同的约束产生的拓扑形状不一样; Milkert等[9]利用拓扑优化与光固化立体成型技术設計并制造了“Gaudi”吧台椅和长椅; Huang [10]采用拓扑优化和Stratasys的3D打印机的設計并制造成了“durotaxis”椅; Zaha Hadid [11]利用拓扑优化設計了“On-demand”椅,并首次利用彩色多材料3D打印机成功制造,打破了3D打印家具长期的单一材质与颜色的现状; Lilian Van Daal[12]将仿生技术应用于家具設計中,并依靠增材制造技术制造了一款生物软椅; Kyttanen [13]利用拓扑优化設計了一款鸟巢状沙發,并采用光敏树脂,利用光固化立体成型技术制造;Hemmemerling[12]利用计算机生长算法拓扑优化了一款“Genrico”椅,研究表明,树木等自然界的生长方式可以给拓扑优化提供思路;Aleksandrina等[13]通过模拟自然界生物的生长构造的方式,利用拓扑优化与增材制造结合CNC技术,設計并制造了一款“Transitinal Fields”桌。2015年,Livid-Iacob Scurtu[14]等利用拓扑优化软件HyperWorks对墙上托架和一种家具三向连接件进行了优化,认为拓扑优化在家具减重以及节约成本等方面具有重要的意义。2016年,Schumacher等[15]在研究一种兼顾美学和稳定性的表面装饰拓扑优化方法时,以不同的装饰图案对S椅进行了优化,开辟了家具拓扑优化的新形式。

3.2 国内家具拓扑优化研究现状

家具拓撲優化研究進展(基金項目——附有詳細解釋)

图3 国外主要家具拓扑优化案例示意图
Fig.3 Diagrams of topological optimization of main furniture in foreign countries

国内对于家具拓扑优化的研究较少,仅有的也是主要集中在拓扑优化的软件使用上[16]。如2012年,齐文溥[17]利用solidThinking insipire这款拓扑软件进行了地铁座位的拓扑优化,并最终得到了优美、合理的地铁座椅設計。2016年,时建纬[18]使用同款软件对办公座椅五角爪进行了拓扑优化,得到了一种造型优美,力学性能出众的五角爪設計方案,同时对施加在三维模型的约束和载荷进行了说明,为后期的設計师提供了参考依据。2016 年,罗峥[19]利用SolidThinking inspire软件拓扑优化了一款造型独特的“树桌”雕塑家具。

家具拓撲優化研究進展(基金項目——附有詳細解釋)

图4 国内主要家具拓扑优化案例示意图
Fig.4 Diagrams of topological optimization of main furniture in home

4 总结

从家具拓扑优化研究现状中可以看出,国外的研究水平远高于国内。国外研究主要集中在設計实践上,且家具拓扑优化只作为拓扑优化理论研究中的案例分析。国内研究主要集中在通用拓扑优化软件的使用上。家具拓扑优化实践設計以椅类居多,其次是桌类。同时在研究中显示,2014年出现了很多以拓扑优化为基础的家具创新撸死你资源站,这与增材制造技术的快速发展和高度重视是密切联系的。在同一年,国家工信部出台制定了《国家增材制造发展推进计划(2014—2020年)》,增材制造技术已被写入国策,充分说明了增材制造在未来制造业的巨大潜力。目前国内外学者已经做了一些家具拓扑优化的研究,但大多数都处于概念实验探索阶段,距离真正成熟应用还有很长的路要走。要想把拓扑优化技术作为中国制胜世界家具設計创新的一种重要手段,还需要在很多方面进行努力,如:

1)加强家具结构力学的研究。在当前的家具拓扑优化研究中,几乎都未对施加在家具撸死你资源站模型上的载荷和约束进行解释说明,这使得拓扑优化在家具结构优化中处于黑箱状态,其数值只有設計师本人知晓,具有一定的局限性和伪科学性[20-25]。目前我国熟悉并掌握家具结构力学知識的主要为从事家具质量检测单位的相关人员和少数高校教师,而部分家具設計师无相关知識。因此应科学系统地研究施加在各类家具模型上的载荷类型、大小、位置以及约束的类型和位置等,总结出通用数据,并通过程序语言编写至家具专业拓扑优化软件中,而家具設計师只需进行傻瓜式操作即可。

2)开发专业的家具拓扑优化软件。目前所有研究中,研究者进行家具拓扑优化所采用的软件均为通用型拓扑优化软件如HyperWorks、Optistruc等,这种软件上手难度高,且需要专业的有限元知識,这就导致拓扑优化技术并不能被我国一般的家具設計师所运用。未来需要通过开发专业家具拓扑优化软件来解决,而家具設計师只需运用常规的三维建模软件如3Dmax、Rhino等建立原始家具3D模型,再导入到拓扑优化软件中运算求解,最后经由增材制造技术制造出家具。

3)加強以木粉爲材料的增材制造技術的研究。目前增材制造技術所使用的成型材料主要爲塑料和金屬,而從家具市場的細分來看,木質家具依然占較大市場份額。雖然目前已經有以木粉爲材料的增材制造相關研究報道,如何運用增材制造技術制造出木質家具撸死你资源站,是一個必需攻克的問題。

4) 验证增材制造家具的力学性能。一方面增材制造技术本身存在一定的弊端,如制造精度不足将极大影响撸死你资源站的力学性能。与此同时,当前增材制造家具的成本过于高昂,进行破坏性试验验证代价太高,因此现阶段由增材制造技术制造的家具撸死你资源站是否满足使用要求还是一个未知的问题。另一方面,通过对增材制造家具进行力学性能的检测,对比有限元分析,将大幅度提高家具撸死你资源站结构优化的科学性。

參考文獻

[1]柯清, 张帆, 张亚池, 等.現代技术影响下的家具结构创新設計研究[J].包装工程, 2015, 36(14):1-5.

[2]柯清, 杨舒英, 杨诺, 等.基于稳健設計思想的家具结构优化設計[J].林产工业, 2016, 43(2):30-33.

[3]陈亚楠, 张仲凤.家具结构创新設計方法研究[J].林产工业, 2017,44(4):52-54.

[4]周克民, 李俊峰.《连续结构拓扑优化:综述》简评[J].力学进展,2005(2):283-284.

[5]李涤尘, 田小永, 王永信, 等.增材制造技术的发展[J].电加工与模具, 2012(S1):20-22.

[6]McKeag T.The Biomimicry Column:How Our Bones Inspire Architecture, Chairs and Cars [DB/OL].2010-01-27[2017-08-15].https://www.greenbiz.com.

[7]Michalatos P, Payne A.Printing Material Distributions [DB/OL].2012-05-28 [2017-08-15].http://liftarchitects.squarespace.com.

[8]Christiansen A, Baerentzen J, Nobel-J?rgensen M, et al.Combined shape and topology optimization of 3D structures[J].Computers &Graphics, 2015, 46(C):25-35.

[9]Milkert H.Emmanuel Touraine’s and Ventury Paris’Eiffel Tower-Inspired 3D Printable Chairs & More[DB/OL].2015-03-31 [2017-08-15].https://3dprint.com.

[10]Huang A.From Bones to Bricks: Design the 3D Printed Durotaxis Chair and La Burbuja Lamp[C].ACADIA,2016,318-325.

[11]David.Stratasys Inc.-Leading Artists Showcase Intricate Pieces Achievable with Multi-Material 3D Printing at Acadia[DB/OL].2014-10-23[2017-08-15].http://additivemanufacturing.com.

[12]Dean LT.The Factory of the Future, Group Exhibition[DB/OL].[2017-08-15.http://hdl.handle.net/2086/15894.

[13]Kyttanen J.3D-printed sofa from a minimal mesh[DB/OL].2015-06-02[2017-08-15].https://www.dezeen.com.

[14]Hemmerling M, Nether U.Generico chair[J].Pasajes de arquitectura y crítica,2014, 133:53.

[15]Aleksandrina.Transitional Fields Table Design[DB/OL].2014-08-05[2017-08-15].http://www.suckerpunchdaily.com.

[16]LI S,Bodi S,Dragomir M.Optimization Methods Applied in CAD Based Furniture Design[J].Acta Techniva Napcensis,2015(4):58.

[17]Schumacher C,Thomaszewski B, Gross, et al.Stenciling: Designing Structurally-Sound Surfaces with Decorative Patterns[J].Computer Graphics Forum, 2016,35 (5):101-110.

[18]周阳峰, 张仲凤.家具撸死你资源站拓扑优化研究[J].家具与室内装饰,2017(11):34-35.

[19]齐文溥.把仿生設計做到骨子里——solidThinking Inspire在地铁座椅設計中的应用[C].Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集, 上海:2012.

[20]时建纬.老板椅五角爪拓扑优化报告[C].Altair 2016 HyperWorks 技术大会论文集, 2016.

[21]罗峥.“树”桌——运用solidThinking Inspire进行家具撸死你资源站原创設計[DB/OL].2016-02-26[2017-08-15].http://www.altair.com.cn.

[22]梁小量.基于設計学原理的文化与設計探究[J].家具与室内装饰,2017 (7):36-37.

[23]朱婕.設計人类学角度的家具設計用户研究[J].家具与室内装饰,2017 (12):28-30.

[24]范梓萱, 朱毅.探析家具撸死你资源站設計中大自然点元素的汲取与創意[J].家具与室内装饰, 2017(12):34-36.

[25]李丽, 周阳峰, 张仲凤.可穿戴坐具設計研究初探[J].家具与室内装饰, 2018 (1):20-21.

[26]姜越.智能家居的情感化設計研究[J].家具与室内装饰, 2018(2):32-33.

[27]刘欢.黑竹家具结构创新設計研究[J].家具与室内装饰, 2017(3):80-81.

Research Progress of Furniture Topology Optimization

ZHOU Yang-feng LI Li ZHANG Zhong-feng
(Central South University of Forestry and Technology, Green Home Engineering Technology Research Center in Hunan,Changsha 410004, China)

Abstract: The traditional furniture structure optimization depends on the designer’s experience and feeling,lacking of scientific nature and accuracy.Using topology optimization and Additive Manufacturing technology,designers can get scientific and reasonable furniture products with original structure.By introducing the concept and advantages of topology optimization and carding the progress of topology optimization, it can be concluded that strengthening on research of the mechanical structure of furniture, developing professional topology optimization software about furniture, strengthening study on the Additive Manufacturing based on wood powder and verifying the mechanical properties of furniture are important direction for future research.

Key words: Furniture structure; Topological optimization; Additive Manufacturing(AM)

中圖分類號:TS664

文獻標識碼:A

文章编号:1001-5299 (2018) 08-0001-04

DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201808001

*基金项目:新世纪优秀人才支持计划人选(NCET-12-0725); 湖南省自然科学杰出青年基金项目(16JJ1028); 中南林业科技大学研究生科技创新基金(CX2016B29)

周陽峰,在讀碩士研究生,中南林業科技大學材料科學與工程學院

張仲鳳(通訊作者),教授,單位同第一作者,撸死你资源站:641038556@qq.com

論文下載撸死你资源站:

原文撸死你资源站:


談家具【微信公众号:H90TJJ】采用BY-NC-SA协议进行授权 , 转载请注明:来自談家具(www.9tjj.com):家具拓撲優化研究進展(基金項目——附有詳細解釋)
喜欢 (0)
[打賞支持]
分享 (0)