1.什么是创成式设计?

　　西门子工业软件的创成式设计(Generative Design)是一个迭代设计过程，其中涉及一个程序，该程序将生成满足一定约束的一定数量的输出，而设计师将通过更改程序变量的最小和最大值来微调可行区域，满足一组约束，以减少或增加可供选择的输出数量。该程序无需在数字计算器等机器上运行，它可以由人类（例如，用笔和纸）运行。设计人员可以是一个人类或人工智能中的测试程序。随着他的设计目标随时间推移变得更好地定义，设计者学会在每次迭代时改进程序。

　　创成式设计输出的结果可能是图像，声音，建筑模型，动画等。因此，它是一种探索设计可能性的快速方法，用于各种设计领域，例如艺术，建筑，产品设计等。

　　该过程可以与探索解决方案的许多可能变化的数字计算机的强大功能相结合，它模仿自然界通过遗传变异和选择进行进化的设计方法，使设计师能够生成和测试崭新的选择，这是人类无法企及的，从而可以实现最有效和最优化的设计。

　　创成式设计变得越来越重要，主要是由于新的编程环境或脚本功能使其相对容易实现，即使对于缺乏编程经验的设计人员来说，也很容易实现他们的想法。另外，此过程可以创建解决基本复杂问题的解决方案，否则将通过替代方法来消耗资源，这使其成为解决较大或未知的问题的更具吸引力的选择。商用CAD软件包中的工具也可以简化此操作。不仅实现工具变得更容易使用，而且利用创成设计作为基础的工具也是如此。

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　　2.优化设计的应用技术

　　创成式设计应用于工业产品亦可称之为优化设计(Optimized design)，目的是将工程设计问题先转换成适当的数学公式，然后再使用适当的方法求解以得到最佳的设计。因此优化设计的过程和结果与传统的设计方法是不同的，传统的设计方法在修改设计的过程中需要仰赖丰富的设计经验，而优化设计是以求解数学公式来决定设计的修改；传统的设计方法只求满足设计规范的要求，而优化设计除了要满足设计规范要求外，还要找出最好的设计，因此使用优化设计方法所得到的产品，其质量将更可靠。

　　使用优化设计方法时，必须先决定设计变量(Design variables)和根据这些变量所制订出的优化目标函数(Objectivefunction)和约束条件函数(constraint functions)。求解优化问题的方法有许多种，例如，循序线性规划法(SLP)、循序二次规划法(SQP)、整数规划法(IP)..等等。近年来有许多新的方法如遗传算法(GA)、仿真退火法(SA)、演化策略法(ES)...等等都可用来求解优化问题。这些方法各有其优缺点，使用者应选择最适合的方法求解以提升效率。另外类神经网络(ANN)和响应表面法(RSM)也常被用来取代正规的分析，以加速优化设计的过程。

　　优化设计就目标函数而言，可分为单一目标优化(Single-Objective Optimization)、多目标优化(Multi-ObjectiveOptimization)和多学科优化(Multi-Disciplinary Optimization)。单一目标优化的目标是唯一的，多目标的优化的目标有多个，其解是各目标间的一种妥协，多学科优化是跨越多个不同领域求得最佳设计。以航空器为例，其所包含的领域有结构、空气动力和控制等领域。又如针对结构优化而言，又可分为拓朴优化(Topology Optimization)、形状优化(ShapeOptimization)和尺寸优化(Sizing Optimization)。拓朴优化可产生最佳的型态，然后经形状和尺寸优化可得到最佳的设计。

　　总之，优化设计方法可应用到各个不同的领域，因此而得到的结果会优于其他方法所得之结果。

　　3.西门子工业软件所涵盖的设计优化技术

　　西门子工业软件在多个应用平台上均提供优化技术以满足不同工程学科需求，在此列举几个产品所提供的优化能力。

　　3.1 NX-产品工程系统

　　NX TopologyOptimization for Designers是用于NX设计环境的拓扑优化插件，可提供创建几何优化结构的功能，该结构适合指定的设计空间，同时满足各种性能、材料和制造要求。拓扑优化通常被称为“仿生结构设计”，因为所使用的算法可以创建形式类似于自然界中观察到的结构。由于这些结构在形式上可能非常激进，因此它通常还使用增材制造作为生产这些结构的手段，而这些结构不一定能够使用传统的制造方法来制造。这些工具的使用并非仅限于增材制造，因为可以对优化应用各种制造约束，以适应各种制造过程，包括创建适用于模压，铸造，机加工或挤压的零件。

　　3.2 Simcenter3D–仿真分析系统

　　SimcenterOptimization是用于Simcenter 3D的几何（尺寸，形状）优化功能，可以在模型上定义设计变量来推动优化流程。设计变量亦可包括特征和草图尺寸、表达式以及某些有限元参数，例如一维单元的截面属性和二维单元的壳属性。几何模型优化通常用于优化某个设计目标的最佳解决方案（例如轻量化设计、产品耐久度提升）。此优化过程为执行一系列仿真，同时根据上一迭代的结果调整设计变量，一直持续重复运算，最终达到设计目标优化。几何模型优化功能可以运用在结构分析、热分析、流体分析、运动分析和多物理场耦合分析等。

　　SimcenterTopology Optimization是用于Simcenter3D的拓朴优化插件，用户可以快速找到组件或系统的最小体积和/或重量，同时保持持久和可靠设计所需的性能特征。该工具在设计的概念阶段特别有用。拓扑优化利用有限元分析过程，将从模型中删除给定性能目标不需要的元素。该功能使用户能够快速了解设计的基本物理要求，从而获得其他形式的优化不可能实现的根本性改变。生成的模型形状看起来很自然，通常，所得的形状非常适合于增材制造技术。

　　3.3 Solid Edge–产品设计应用程序

　　Solid EdgeDesign Optimization是用于Solid Edge的几何（尺寸，形状）优化功能，设计人员能够设置假设操作方案，以预测零件如何对指定的负载条件做出反应。透过Solid Edge Simulation提供的几种不同类型的仿真分析，包括线性静态，热，振动（或模态）和屈曲，以及多种研究类型的组合，使工程师能够确保设计出适合他们的目的的产品。

　　Solid Edge GenerativeDesign Pro是用于Solid Edge的拓朴优化插件，设计人员定义特定的材料，设计空间，允许的载荷和约束以及目标重量，然后软件自动计算几何解决方案。可帮助设计具有最小重量/质量的零件，同时保持结构完整性，从而有助于降低材料成本并提高产品效率。该方法通常会产生独特的有机形状的几何形状，许多形状在美学上都具有吸引力，并且由于这种形状复杂性，结果可以在3D打印机上制造，也可以在Solid Edge中进行精加工以进行传统制造。

　　3.4 FEMAP–有限元素分析应用程序

　　FEMAPDesign Optimization是用于FEMAP的几何（尺寸，形状）优化插件，可以通过操纵诸如板厚和梁截面之类的元素属性来改进现有设计。因此，可以在保持特定响应（例如位移或应力）的同时对设计进行优化以实现重量的最小化。优化可以应用于各种NX Nastran分析类型，例如线性静态，模态振动和屈曲分析。此外，它还包含广泛的优化功能，可与更高级的NX Nastran功能一起使用，例如动态响应。

　　FEMAP TopologyOptimization是用于FEMAP的拓朴优化插件，可以快速找到组件或系统的最小体积和/或重量，同时保持耐用和可靠设计所需的性能特征。该工具在设计的概念阶段特别有用。拓扑优化利用有限元分析过程，将从模型中删除给定性能目标不需要的元素。该功能使用户能够快速了解设计的基本物理要求，从而导致其他形式的优化不可能实现的根本性改变。最终的模型形状可以是有机形状，看起来与您今天在高度工程化的产品中看到的一样。

　　3.5 HEEDS-多学科空间探索平台

　　HEEDS是功能强大的设计空间探索平台，可以为多学科设计进行优化，不论是结构、流体、热，声学、NVH、动力学，以及同时存在以上几项问题，HEEDS都可以帮助用户寻找最佳解决方案。它可以和所有CAD以及CAE工具连接，使设计优化过程自动化。还能调用多种软件工具进行前处理，后处理，分析计算和多学科优化，以推动各个行业的产品创新。HEEDS通过自动化分析流程自动化，最大程度地利用对计算硬件和软件资源的分布式执行，有效地探索解决方案，然后评估性能以确保实现现实目标，从而加快了工程设计过程。

　　4.使用创成式设计协助增材制造产品结构

　　拓扑优化算法通常使用有限元方法（FEM）来分析设计性能，旨在针对给定的一组载荷和约束优化给定设计空间内的材料布局。在创成式设计中，设计人员首先提供必要的设计空间（或边界体积）和设计目标（例如最小化重量）以及非几何参数（例如材料和成本约束）的值。然后，软件算法会自动循环遍历众多几何模型排列，以寻求最佳解决方案。通过避免人为干预，可以探索更多的设计替代方案。

　　由于拓扑优化算法产生的网格几何形状通常非常复杂，无法使用传统的加工方法进行制造，因此可以直接输入到增材制造过程中进行制造。另外，要对拓扑优化模型进行修改，在过去你会遇到一个大问题，因为拓扑优化模型是由非常密集的网格组成的，传统的CAD解决方案的基础是建立在精确的几何结构上，并且不支持网格结构，除非透过逆向工程将其转为曲面或实体，否则难以在实体建模环境中对网格几何进行设计调适。为了解决这个问题，西门子通过利用构成NX基础的Parasolid内核，开发支持精确几何和网格模型的混合功能，称之为收敛建模(Convergent Modeling™)。目的是让拓扑优化算法产生的网格几何体可以在NX中与实体模型无缝运行。

　　在NX的建模环境中，用户可以在概念设计的早期就捕获需求，并将其提供给拓扑优化算法。获得优化的模型后，透过NX的收敛建模技术，让用户使用熟悉的特征构造和编辑技术（例如孔，凸台和圆角）来完善模型几何。

　　5.西门子创成式设计与增材制造应用案例

　　5.1西门子发电和天然气集团SGT-700/800燃烧器

　　燃烧器系统的原始设计在左侧是将多种反应物输送到燃烧室的尖端。燃烧器内有一个环形通道网络，用于转移反应物和冷却水。右侧是连接到供应系统的法兰，它是通过将一系列线性同心管和机加工部件焊接在一起制成的。您可以看到其形状和设计是由其制作方式和制作方式决定的。

　　为了共享更多细节，该项目的目的是为这种燃烧器找到一种更优的设计，以减少整体制造工作量，并在保持其功能性能的同时做到这一点。使用仿生学作为创造性的形状发现以茴香灯泡的形状重新构想燃烧器并进行3D打印，他们通过将NX中的参数模型链接到STAR-CCM+进行CFD分析，然后链接到HEEDS来探索可能形状的设计空间，从而实现了数字孪生技术，并大大减少了制造工作量和成本。例如；焊缝数量减少超过50％，零件数减少一半，团队还发现了设计，制造和业务等方面的许多改进机会。例如；缩短交货时间，加快上市速度，可调设计满足客户特定的燃烧要求。

　　5.2 Bugatti,Siemens,Fraunhofer IAPT,EAST-4D,VogtEngineering

　　西门子和布加迪（Bugatti）创新了世界上最大的混合动力系统，该系统包括：3D打印的空心和薄壁仿生钛金属组件，陶瓷涂层缠绕高模量碳纤维管，并实现：加快创新流程10倍，减少空气阻力，轻量化系统减少50％。

　　5.3学生方程式赛车侧倾稳定器连杆

　　为了根据需要从发动机精确处理和传递动力，至关重要的是车辆的车身结构必须保持刚性，以便将所有车辆运动转换为悬架部件，可以对其进行调节以控制运动力。因此探讨防侧倾稳定器连杆的优化以提高性能。利用从中提取的力对3D打印的稳定和减震总成支架进行最佳设计虚拟车辆振动测试。

　　5.4 NextGenSpaceframe 2.0

　　全面设计3D打印节点，并与3D形状和3D激光切割的挤压型材相结合，以通过灵活的工具和无夹具过程按需组装的轻型车辆结构。

　　5.5 Hackrod与西门子合作，实现前所未有的汽车设计和生产

　　加利福尼亚州的初创公司Hackrod计划通过个性化设计和3D打印来革新移动解决方案的生产。西门子为公司提供了其数字创新平台，该平台是一个集成软件包，可以平稳地实现从设计，开发到车辆生产的整个过程。

　　Hackrod将“未来工厂”建立在西门子新的“数字创新平台”上，该平台将面向数字化公司的设计，生产和服务程序集成在一个软件包中。这些程序中包括用于产品开发的NX软件，该软件可以使用人工智能设计生成优化的结构。这就是为“La Bandita”流线型外壳创建底盘的方式-其效果是，算法计算出优化支撑结构的时间越长，其撑杆的排列就越有机。McCoy说：“过去不可能在绘图板上设计这种生成设计。”今天我们只输入某些参数，该软件会自动计算出优化的设计。”

　　仿真软件还允许团队预测汽车的行驶方式，从而减少了物理测试的次数。此外，来自真实碰撞测试的数据和汽车的实际驾驶行为都可以从设计软件中找到。此外，在平台上的合作也是重中之重：例如，所有重要的更改都可以通过数字线程来追踪，涉及到的所有工程师，产品设计师和项目经理。Tengan说：“与单个软件工具一样有用，最大的优势可能是它们的集成。这不仅可以进行创造性的设计，还可以进行快速的设计，快速的虚拟测试和无问题的生产。”

　　6.总结

　　从上述介绍，我们可以归纳出创成式设计的优势：

　　降低产品成本

　　通过减少材料体积和材料成本降低部件成本

　　通过创建单一零件，以取代多零件制造与组装，降低模具和劳动力成本

　　利用新的增材制造技术

　　减少产品的重量和运行成本

　　减少组件重量，同时保持强度

　　减肥的关键部件，提高整体效率，

　　降低能源消耗，并满足监管要求

　　创建独特的设计

　　利用先进的软件和计算能力，优化您的设计

　　创建新的设计思路

　　创建瞩目的设计与独特的，有机的，有吸引力的外观

　　西门子在NX中所提供的创成式设计的解决方案，能够快速创建，优化，轻量化产品设计，对于软件功能我们也归纳出下列优势：

　　采用了最新的拓扑优化技术，快速，准确地优化设计

　　易于使用，简单直观，引导设计者完成所需步骤

　　创建网格式实体模型的平滑面的，可用于制造

　　不需要专门的分析，所有设计师的工具

　　使用创成式设计创建的零件很容易集成到您当前的产品开发流程

　　使用标准的NX命令将特征添加到零件上

　　直接提交零件到3D打印机进行增材制造

　　西门子工业软件的新兴的创成式设计技术，尤其是拓扑优化，正在产品开发中引起关注。虽然大多数实施都是在原型研究或一次性零件中，但未来在生产环境中一定会出现越来越多的用例。西门子已经利用其NX解决方案奠定了基础，全面为继续进行创成式设计开发的客户提供支持。