創成式設計（Generative Design）是一種參數化3D建模方式，在設計的過程中，當設計師輸入產品參數之后，算法將自動進行調整判斷，直到獲得最優化的設計。創成式設計可以幫助設計師優化零件強度重量比，可以模仿自然結構發展的方式，創造出最強大的結構，同時最大限度地減少材料的使用。

圖：創成式設計

在3D打印領域，最為經典的創成式設計作品是A320飛機開發的一個大尺寸的“仿生力學”的機艙隔離結構件。考慮到每家飛機的服役情況，這將累計帶來高達96000噸的二氧化碳排放量的減少。這一案例顯示了創成式與3D打印制造技術結合起來所釋放的潛力前景：更輕、更強、能源消耗更少的下一代產品時代正在到來。

圖：A320機艙隔離結構件

而為了給電動汽車減重，通用汽車正在采用創成式設計軟件對車內零部件進行優化設計，通過座椅支架的減重揭示了3D打印對于零件潛在質量和強度改進的潛力。

圖：通用汽車的創成式設計座椅支架

當然，創成式軟件所設計出來的零件多種多樣，每種零件的性能各不相同，具體選擇哪一種設計，這時候仿真就發揮了無需真正制造出來而對設計實現比較的便利性。

2019年TCT展會上展出的創成式輪轂樣品，來源安世亞太

帶蜂窩設計的結構與不帶蜂窩設計的結構

創成式輪轂方案1的結構是蜂窩狀的結構，且每個輪輻都呈現出樹狀的設計思路。

創成式輪轂方案1的結構及剖面圖和局部細節圖，來源安世亞太

而創成式輪轂方案2的結構是另外一種設計思路，沒有蜂窩狀的結構。這兩種方案的受力狀態如何，孰優孰劣讓我們通過對其CAE仿真分析進行驗證。

輪轂有限元模型建立

本次分析采用四面體單元以3mm大小進行網格劃分，同時為了體現輪轂的局部特征，在圓角等特征處對網格進行了加密處理，見圖4和圖5所示。方案1和方案2的單元數分別為339萬和217萬，主要是由于方案1的輪轂有許多的蜂窩狀結構，單元在蜂窩狀處比較密集。本次材料選用了304L stainless steel進行分析，其屈服強度和抗拉強度分別為577MPa和579MPa，其參數來自于增材制造材料庫。

創成式輪轂方案1的網格模型及局部網格細節，來源安世亞太

創成式輪轂方案2的網格模型及局部網格細節，來源安世亞太

分析工況：彎曲工況和徑向工況

彎曲工況：采用車輪的最大負荷為600kg進行計算，施加的彎矩為2062Nm，力臂為0.6m,加載力為3437N。在輪輞的內側邊緣位置施加全約束。

徑向工況：徑向加載為13230N，在120°按余弦分布進行加載，同時考慮輪胎充氣壓力250kpa。在輪轂的5個安裝螺栓處施加全約束。

計算結果及分析

（1）彎曲工況

在彎曲工況下，方案1和方案2輪轂的最大應力分別為218MPa和339MPa，其屈服安全系數分別為2.65和1.70，兩種設計方案都能滿足彎曲工況下靜強度要求，具體可參見下圖所示。

方案1輪轂的彎曲工況下應力云圖，來源安世亞太

方案2輪轂的彎曲工況下應力云圖，來源安世亞太

（2）徑向工況

在徑向工況下，方案1和方案2輪轂的最大應力分別為155MPa和112MPa，其屈服安全系數分別為3.72和5.15，兩種設計方案都能滿足徑向工況下靜強度要求，具體可參見圖8和圖9所示。

方案1輪轂的徑向工況下應力云圖，來源安世亞太

方案2輪轂的徑向工況下應力云圖，來源安世亞太