Fusion 360衍生式設計研究

趙春輝

（無錫立信高等職業技術學校，江蘇無錫 214000）

0 引言

Fusion 360是美國Autodesk公司推出的一款基于云的CAD/CAM/CAE工具軟件，它的功能是基于大數據、云計算的人工智能技術代替傳統的設計過程，該軟件的衍生式設計是以目標為起點，指定設計、制造條件，得到最優的設計結果，在業界已經領先于其他同類型的軟件，應用于機械等各行業。此軟件也是2021年開始作為全國職業院校技能大賽工業產品設計與創客實踐項目的指定軟件。

1 衍生設計與傳統設計的區別

傳統的設計首先需要建立一個初步方案，通過不斷的分析、改進、驗證，對設計方案進行不斷的優化，直至找到較好的設計方案。然而衍生設計則是通過大數據和云計算的結合替代了這一設計過程，設計者只需要通過定義需求便可以得到最優的解決方案。通用汽車公司曾經使用衍生式設計對汽車安全帶鎖扣進行優化，使其支架的總質量減少40%、性能提升20%，且由原先的8個零件合并成1個零件，質量減輕和零件數量的減少都可以驗證衍生設計較傳統設計方法是有顯著突破的，在傳統設計方案的基礎上仍能繼續減輕質量、提高性能[1]。

2 衍生設計實例原始結構及要求

2.1 原始結構

本文以凳子的衍生設計為例來對Fusion 360衍生式設計進行分析。凳子是一個簡單的案例，設計的整個過程中通過學習能夠全面地掌握fusion 360的衍生功能，加強對衍生設計的認識。衍生前認真分析圖樣，如圖1所示，明確它的空間條件、載荷及約束條件、設計目標、制造方式及材料等條件。

2.2 設計要求

該凳子為四角塑料凳，外觀如圖1所示，模型文件由Autodesk Inventor軟件進行設計[2]。材料為ABS塑料，質量為0.039 kg。

圖1 凳子模型

設計要求對該凳子的腿部進行衍生式設計，要求如下：1）凳子上表面形狀不變；2）底部支撐面形狀不變；3）材料不變，最小壁厚為2 mm；4）以最小質量為目標；5）載荷為向下的力，300 N；6）制造方式為增材制造；7）安全系數取10。

3 衍生式設計流程

根據現有圖樣及實際受力情況進行分析，選擇適合的衍生設計參數后進行云計算[3]，具體做法如圖2所示。

圖2 設計流程

具體內容為如下。

1）處理模型。由于每個模型所需要的設計條件及設計結果都是不一樣的，處理模型主要工作任務為設置模型的保留區域、障礙區域和起始形狀，這一步驟要注意不能與現有的其他零件產生干涉且一般不能改變其連接方式。

2）定義條件。這一步驟的主要任務是按照設計的條件進行約束條件和載荷條件的設置，要考慮受力載荷的方向及約束。

3）生成結果。要針對現有的設計目標進行材料、加工方式、安全系數等的選擇，生成設計所需要的結果。

4）完善設計。設計完成后，裝配件要能夠和原有的裝配體進行裝配并進行仿真，普通的單件要能進行靜力學分析。

4 凳子的衍生設計過程

4.1 處理模型

1）啟動Fusion 360，顯示數據面板，新建項目凳子，如圖3所示。這一步的操作不同于Inventor，Fusion 360的操作是在云端進行，所創建的文件都是存放在其系統服務器的項目文件中。

圖3 新建項目

2）導入由Inventor創建的凳子的模型。

a.通過文件菜單下的打開選項，選擇從我的計算機打開，瀏覽并打開零件文件凳子.ipt，如圖4所示。

圖4 打開文件

b.由于Fusion 360是云端處理數據，需要上傳數據，軟件會自動將本地文件進行上傳，如圖5所示。

圖5 上傳云端

c.由數據面板雙擊打開已經上傳到云端的文件凳子。為了更好地查看，可以重新設置模型的前表面，圖形區的渲染效果等將會一起調整，帶來更加真實的效果，如圖6所示。

圖6 凳子渲染

3）繪制保留區域。考慮凳子主要是對腿部進行衍生設計，主要保留區域為上、下表面，由于上表面的中心有一個透氣的孔，也應該作為衍生的去除區域。

a.選擇在凳子的上表面創建草圖，作原先凳子的投影到當前草圖，完成后使用拉伸命令，拉伸厚度為2 mm，如圖7所示。

圖7 上表面保留區域

b.選擇下表面的4個腳創建草圖，拉伸凳子的4個腳作為下端保留區域，拉伸厚度為2 mm，如圖8所示。

圖8 下表面保留區域

4）繪制障礙區域。考慮凳子需要避開的區域，即新的凳子不能與現有的表面發生沖突，指定腿部在衍生生長的過程中不能進入的區域。

a.凳子向上不能超過其上表面，在原有的凳子的上表面創建草圖設置中心及外形的障礙，外形可以是任意形狀，尺寸大于凳子外形最大尺寸即可，如圖9所示。

圖9 上端障礙區

b.凳子向下不能超過其4個腳，在原有的凳子的下表面創建任意形狀的障礙，大于凳子外形最大尺寸即可，如圖10所示。

圖10 下端障礙區

4.2 定義條件

1）切換工作環境到衍生式設計，開始定義設計條件及約束，如圖11所示。

圖11 切換工作環境

2）指定保留區域。保留區域的設定主要目的是在生成的設計中必須包含結構及設計，單擊保留幾何圖元按鈕并選擇上表面及下表現4個腳作為保留約束條件，如圖12所示。

圖12 保留區設置

3）指定障礙區域。這一步的主要任務是所生成的設計必須避開的區域，單擊障礙幾何圖元選擇處理模型中生成的兩個障礙區，如圖13所示。

圖13 障礙區設置

4）指定約束條件，單擊結構約束，在圖形中選擇凳子4個腳的底面添加為本設計的固定約束，如圖14所示。

圖14 約束條件設置

5）指定載荷條件，單擊結構載荷按鈕，選擇凳子上表面為目標，添加大小為300 N的載荷條件，如圖15所示。

圖15 載荷條件設置

6）指定設計目標。單擊目標按鈕設置以最小化質量為目標，并指定安全系數為10的設計要求，如圖16所示。

圖16 設計目標設置

7）指定制造方式。單擊制造按鈕，選擇制造方式為增材制造方式，如圖17所示。

圖17 制造方式設置

4.3 生成結果

單擊生成按鈕運行衍生式設計，Fusion 360將設計的數據發送到云計算中心進行自動計算，這一過程會耗費一定的時間，運行中也能通過生成轉臺查看進度，如圖18所示。

圖18 運行衍生設計

4.4 完善設計

生成后的模型可以在軟件中查看其具體的參數，本例的質量由原先0.039 kg下降到0.029 kg，整體質量下降了25.6%。也可以在后期下載后導入Inventor中虛擬裝配，或者直接在Fusion 360結果視圖中查看應力情況，如圖19所示。

圖19 完善設計參數

5 結論

衍生式設計是基于大數據、云計算的人工智能設計技術[4]，它能協助設計者快速地得到設計結果并進行方案的評估，得到最優的解決方案，其人工智能的加入也使得衍生的過程不再依賴人的經驗來獲得[5]，Fusion 360作為Autodesk公司的主力設計產品，其深厚的設計功底助力了衍生式設計的發展。本例通過凳子的衍生式設計的流程，初步探索了衍生的設計流程及方式，為將來更多的工業化產品提供一定的借鑒。