生成设计：吹风机耦合器-针对alveo的优化

概述

IMT 为 alveo 优化了一个鼓风机联轴器，强调了最小压力损失、材料效率和流动优化几何形状。通过使用生成设计和增材制造，差压降低了 13%，使用了更少的材料。

图1：气道鼓风机组件与鼓风机联轴器

背景

开发复杂机械组件需要创新的方法来提高效率和性能。IMT利用生成设计优化了alveo的鼓风机联轴器，旨在减少差压和内部体积，同时最小化材料使用。所有设计变体均通过增材制造进行生产和测试，以验证最佳解决方案，与原始设计相比，实现了13%的差压降低。这一成功强调了生成设计的全部潜力只有通过增材制造才能实现，这使得流动优化结构成为可能。

介绍

现代医疗技术设备正面临对增强性能和资源效率的日益增长的需求。IMT被指派为其子公司IMT Analytics开发一个肺模拟器的风机耦合器。目标是minimize压力损失和内部体积，同时有效利用材料。这是通过传统工程实践以及使用像Autodesk Fusion 360这样的工具（计算机辅助设计（CAD）软件）和Ansys FLUENT（计算流体动力学（CFD）软件）来实现的。

什么是生成设计？

生成设计利用算法和人工智能来创建优化的组件几何形状。工程师定义条件，例如流体要求和材料限制，而软件则生成多个受自然结构启发的潜在解决方案。最佳几何形状通过迭代模拟来确定。这种方法在增材制造中尤其有效，因为增材制造可以生产传统制造无法实现的复杂形状。

通过生成设计优化

图2：鼓风机联轴器迭代

1. 手动设计与仿真

一位经验丰富的工程师首先为鼓风机联轴器建模了一个常规几何形状。这个模型使用FLUENT进行了模拟和测试。然后，第一版被增材制造并精确测量，以获得准确的数据来验证模拟。

2. 使用 Fusion 360 的生成设计

相同的任务被交给了Fusion 360中的生成设计算法。生成的模具也进行了模拟，然后进行了增材制造和测量。测试结果显示，由于不合适的输入参数，例如不正确的流体要求和材料限制，这个变体的表现比手动开发的模型更差。

图3：生成设计产生的耦合器变体

纠正参数改善了结果。此外，实施了晶格结构以进一步优化材料使用。这些晶格结构显著减少了重量和材料，同时保持了结构完整性。这种设计在优化流动的组件中特别有利，促进了均匀的气流分布。

图4：使用格子结构减少材料

3. 精细优化

最终的迭代采用了通过FLUENT中的网格变形优化的工程形状。

该版本采用增材制造并进行了测量，结果在使用更少材料、保持相同体积、修改壁厚并引入格子结构以进一步增强性能的情况下，实现了13%的差压降低。这个优化形状只能通过增材制造实现，因为传统方法无法创建如此复杂、流动优化的结构。

最终的迭代将以工程为驱动的形状与使用FLUENT进行的网格变形的额外优化相结合。这个过程涉及根据初始模拟的结果来精炼几何形状，从而导致更高效和更有效的设计。

图5：最终设计

结论

生成设计在优化形状方面无疑是有效的，但并不能替代工程师的关键专业知识。最重要的解决方案源于经典工程原则、先进的仿真技术和生成设计的果断结合。在我们项目的最后阶段，我们自信地采用了增材制造和精确测量来验证我们的结果，实现了显著的13%的差压降低。

此外，生成设计的全部优势仅通过增材制造得以实现，从而实现优越的流动优化几何形状。在IMT，我们致力于利用生成设计开发创新解决方案，以满足并超越客户的复杂挑战。