Wang 等提出了一种基于蒙皮曲面结构的晶格设计方法，对于给定的一个三维模型，将其

表达成一个很薄的蒙皮以及内部的刚架结构，使得表达后的物体的体积（即所使用的打印材 料）最小，而且使得打印物体能够满足所要求的物理强度，受力稳定性，自平衡性及可打印 性等要求。通过多目标优化建模，采用迭代优化的方法来优化两个目标函数。只要从任意的 一个刚架结构出发，算法既可智能地优化出细杆的半径，去除多余的细杆及节点，以及优化 节点的位置，使得总体积最小[4]，如图 1.4 所示。

 蒙皮结构的桁架曲面设计

ConceptLaser 公司采用栅格状晶格结构实现钛合金叶片的中空设计，与原有的设计方式 相比，零件加工材料使用量降低 70%，增材制造加工效率提升了 60%。与此同时，轻量化设 计后的叶片零件具有更优的强度以及支撑效果，如图 1.5 所示[5]。

 发动机叶片晶格结构设计

GE 公司采用晶格结构实现了发动机缸体内部结构的轻量化设计，基于有限元分析方法选 取承受载荷的零件区域，基于拓扑优化和仿生概念设计负载区域的内部结构，采用晶格曲面 替代原始的实体区域。将发动机缸体重量从 5.1kg 减少到 1.9kg，相当于 66％的重量减少[6]。 3 结构优化技术国内外研究现状

近年来，国内外学者和研究机构在异形结构件优化设计方面进行了一些研究，涌现出一

些代表性的应用成果。主要包括拓扑结构优化设计以及基于晶格曲面的结构优化设计。具体 研究情况介绍如下：

结构优化设计是将数学中的最优化理论与工程设计相结合，使人们在解决工程设计问题 时可以从无数设计方案中找到最优或者是尽可能完善的设计方案，在满足功能需求的前提下

本科毕业设计说明书 进一步改变、优化零件原始结构，从而提高设计效率、设计质量，降低零件耗材使用量。结 构件优化设计一般以施加载荷作为输入条件，求解满足力学特性要求的最优优化结构。结构

优化设计包括形状优化、形貌优化及拓扑优化，目前的研究主要以拓扑优化为主，如图 1.6

所示。

 拓扑优化减重设计流程

自 2013 年起，欧洲航空航天行业的设备供应商 RUAG Space 公司对如何利用增材制造过 程加工部件进行了细致深入的研究和开发工作，目的是要充分利用增材制造技术所提供的设 计自由度，优化零件的拓扑结构确立较为科学的形态布局，打造出比原设计零件更坚固更轻 便的金属零部件[1]。

德国 EOS 公司已经联合弗劳恩霍夫激光所、空客公司专门成立了“飞机轻量化设计及 3D

打印联合创新中心”，通过轻量化设计使打印成本降低，效率提高，其主要目的是为了从设计 的角度来体现 3D 打印的优势。

2014 年，瑞士苏黎世 RUAG Space 公司利用拓扑优化方法设计了卫星天线支架，充分利 用增材制造技术所提供的设计自由度，打造出比原始设计更坚固且更轻便的铝制部件（如图 1.7 所示）[14]。

与此同时，Laser Zentrum Nord (LZN)  和汉堡-哈尔堡工业大学 (TUHH)  正着手研究如何

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将创新型设计方法与激光增材制造相结合，挖掘轻量化结构的新潜力。该项目名为 TiLight， 旨在研究如何将创新型设计方法与新的制造能力相结合，从而利用 TiAl6V4 这种高强度钛合 金材料以更经济的方式制造出轻量化的航空部件