莫道蝉翼轻，四两拨千斤——首届“天工杯”结构优化设计大赛获奖作品解析

40ml塑料有多少？

大概1/12瓶矿泉水，或者2.5个脉动瓶盖大小吧。

46g塑料有多重？

大概1只小龙虾，或者1个鸡蛋那么重吧。

那么，用这些塑料3D打印一个120mm×80mm×60mm的筒状结构，能承受多大的载荷？

100kg？200kg？还是300kg？

如果我告诉你，2个这样的塑料小圆筒就能承载1辆小汽车的重量（1.2-1.4吨），你敢相信吗？

请相信我，优秀的结构设计师真的能做到。

11月2日，由航天科工三院、国际仿真与多学科优化设计协会(ASMDO)、鑫精合激光科技发展(北京)有限公司三方主办的首届“天工杯”结构优化设计暨增材制造大赛决赛现场，10组参赛选手的最终成绩普遍在6-7kN之间。

这就是拓扑优化和3D打印的魅力。

比赛为异形筒状结构优化设计，在相同材料、重量，给定的载荷条件下，各队自由设计结构，统一进行3D打印，现场进行静力试验，根据实验结果当场公布比赛成绩，承载最重者获胜。

（1）异形筒状结构模型高120mm,外形从60mm×40mm矩形渐变为80mm圆形，其中两个方向开四个口盖，整个模型实体部分（灰色）为设计区域，其他空间为不可设计域。结构外蒙皮为不可设计域（图中红色 区域所示），以保持结构外形完整性。由于受到3D打印工艺性约束，外蒙皮最小厚度≥0.5mm。 

（2）材料体积用量≤40ml，材料属性见下表； 

（3）载荷加载：模型竖直放置，上表面使用加载工装向下加载，下表面使用工装固定；

入围决赛的10个作品设计思路大同小异，基本都是一样的套路：

概念设计 → 详细设计 → 强度校核 → 细节修改

本期优化讲坛，小编特别邀请了其中一位参赛选手，结合他的设计方案，为读者解析一下拓扑优化设计方法的流程。

出题者为了提高设计难度，布置了非常刁钻的两个难点，一是接近40%表面积的大开口；二是开口投影相互交叠，无法设计一条笔直的传力路径。

最后进入决赛的作品，无一不是很好处理了这两个难点的作品。

（1）大开口补强

（2）设计传力路径