生成式设计：alveo鼓风机联轴器优化

概述

IMT优化了alveo的鼓风机联轴器，强调minimize压力损失、材料效率和流动优化几何形状。通过生成设计和增材制造，压差降低了13%，且使用了更少的材料。

图1：alveo鼓风机组件及鼓风机联轴器

背景

开发复杂机械部件需要创新方法以提高效率和性能。IMT利用生成设计优化了alveo的鼓风机联轴器，旨在降低压差和内部体积，同时minimize材料使用。所有设计变体均通过增材制造生产并测试，以验证最佳方案，与原始设计相比，压差降低了13%。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，增材制造使得流动优化结构成为可能。

介绍

现代医疗技术设备对性能提升和资源效率的需求日益增长。IMT受委托为其子公司IMT Analytics设计的肺部模拟器开发一款鼓风机联轴器。目标是minimize压力损失和内部体积，同时有效利用材料。通过传统工程实践以及使用Autodesk Fusion 360（一款计算机辅助设计（CAD）软件）和Ansys FLUENT（一款计算流体动力学（CFD）软件）等工具实现了这一目标。

什么是生成设计？

生成设计采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，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。通过迭代仿真确定最佳几何形状。这种方法在增材制造中特别有效，增材制造能够生产传统制造无法实现的复杂形状。

通过生成式设计进行优化

图2：鼓风机耦合器迭代

1. 手动设计与仿真

一位经验丰富的工程师首先为鼓风机耦合器建模了传统几何形状。该模型在FLUENT中进行了仿真和测试。然后，第一版通过增材制造并精确测量，以获得准确数据验证仿真。

2. 使用Fusion 360的生成式设计

同一任务交给了Fusion 360中的生成式设计算法。生成的模具也进行了仿真，然后通过增材制造和测量。测试结果显示，由于输入参数不合适（如流体需求和材料限制错误），该变体的性能不如手动开发的模型。

图3：由生成式设计产生的耦合器变体

参数的修正改善了结果。此外，实施了格栅结构以进一步优化材料使用。这些格栅结构显著减轻了重量和材料消耗，同时保持结构完整性。这类设计在流动优化组件中特别有益，促进了均匀的气流分布。

图4：通过格栅结构减少材料

3. 精细优化

最终迭代采用了通过FLUENT网格变形优化的工程形状。

该版本通过增材制造和测量，实现了差压降低13%，同时使用更少材料，保持相同体积，调整壁厚，并引入格栅结构以进一步提升性能。此优化形状只能通过增材制造实现，因为传统方法无法制造如此复杂、流动优化的结构。

最终迭代结合了工程驱动的形状和使用FLUENT中的网格变形进行的额外优化。该过程基于初始仿真结果对几何形状进行了细化，带来了更高效、更有效的设计。

图5：最终设计

结论

生成式设计在优化形状方面无疑是有效的，但不能取代工程师的关键专业知识。最重要的解决方案源自经典工程原理、先进仿真技术和生成式设计的决定性结合。在项目的最后阶段，我们自信地采用了增材制造和精确测量来验证结果，实现了差压显著降低13%。

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