Fusion,360衍生式设计研究

赵春辉

（无锡立信高等职业技术学校，江苏无锡 214000）

Fusion 360是美国Autodesk公司推出的一款基于云的CAD/CAM/CAE工具软件，它的功能是基于大数据、云计算的人工智能技术代替传统的设计过程，该软件的衍生式设计是以目标为起点，指定设计、制造条件，得到最优的设计结果，在业界已经领先于其他同类型的软件，应用于机械等各行业。此软件也是2021年开始作为全国职业院校技能大赛工业产品设计与创客实践项目的指定软件。

传统的设计首先需要建立一个初步方案，通过不断的分析、改进、验证，对设计方案进行不断的优化，直至找到较好的设计方案。然而衍生设计则是通过大数据和云计算的结合替代了这一设计过程，设计者只需要通过定义需求便可以得到最优的解决方案。通用汽车公司曾经使用衍生式设计对汽车安全带锁扣进行优化，使其支架的总质量减少40%、性能提升20%，且由原先的8个零件合并成1个零件，质量减轻和零件数量的减少都可以验证衍生设计较传统设计方法是有显著突破的，在传统设计方案的基础上仍能继续减轻质量、提高性能[1]。

2.1 原始结构

本文以凳子的衍生设计为例来对Fusion 360衍生式设计进行分析。凳子是一个简单的案例，设计的整个过程中通过学习能够全面地掌握fusion 360的衍生功能，加强对衍生设计的认识。衍生前认真分析图样，如图1所示，明确它的空间条件、载荷及约束条件、设计目标、制造方式及材料等条件。

2.2 设计要求

该凳子为四角塑料凳，外观如图1所示，模型文件由Autodesk Inventor软件进行设计[2]。材料为ABS塑料，质量为0.039 kg。

图1 凳子模型

设计要求对该凳子的腿部进行衍生式设计，要求如下：1）凳子上表面形状不变；
2）底部支撑面形状不变；
3）材料不变，最小壁厚为2 mm；
4）以最小质量为目标；
5）载荷为向下的力，300 N；
6）制造方式为增材制造；
7）安全系数取10。

根据现有图样及实际受力情况进行分析，选择适合的衍生设计参数后进行云计算[3]，具体做法如图2所示。

图2 设计流程

具体内容为如下。

1）处理模型。由于每个模型所需要的设计条件及设计结果都是不一样的，处理模型主要工作任务为设置模型的保留区域、障碍区域和起始形状，这一步骤要注意不能与现有的其他零件产生干涉且一般不能改变其连接方式。

2）定义条件。这一步骤的主要任务是按照设计的条件进行约束条件和载荷条件的设置，要考虑受力载荷的方向及约束。

3）生成结果。要针对现有的设计目标进行材料、加工方式、安全系数等的选择，生成设计所需要的结果。

4）完善设计。设计完成后，装配件要能够和原有的装配体进行装配并进行仿真，普通的单件要能进行静力学分析。

4.1 处理模型

1）启动Fusion 360，显示数据面板，新建项目凳子，如图3所示。这一步的操作不同于Inventor，Fusion 360的操作是在云端进行，所创建的文件都是存放在其系统服务器的项目文件中。

图3 新建项目

2）导入由Inventor创建的凳子的模型。

a.通过文件菜单下的打开选项，选择从我的计算机打开，浏览并打开零件文件凳子.ipt，如图4所示。

图4 打开文件

b.由于Fusion 360是云端处理数据，需要上传数据，软件会自动将本地文件进行上传，如图5所示。

图5 上传云端

c.由数据面板双击打开已经上传到云端的文件凳子。为了更好地查看，可以重新设置模型的前表面，图形区的渲染效果等将会一起调整，带来更加真实的效果，如图6所示。

图6 凳子渲染

3）绘制保留区域。考虑凳子主要是对腿部进行衍生设计，主要保留区域为上、下表面，由于上表面的中心有一个透气的孔，也应该作为衍生的去除区域。

a.选择在凳子的上表面创建草图，作原先凳子的投影到当前草图，完成后使用拉伸命令，拉伸厚度为2 mm，如图7所示。

图7 上表面保留区域

b.选择下表面的4个脚创建草图，拉伸凳子的4个脚作为下端保留区域，拉伸厚度为2 mm，如图8所示。

图8 下表面保留区域

4）绘制障碍区域。考虑凳子需要避开的区域，即新的凳子不能与现有的表面发生冲突，指定腿部在衍生生长的过程中不能进入的区域。

a.凳子向上不能超过其上表面，在原有的凳子的上表面创建草图设置中心及外形的障碍，外形可以是任意形状，尺寸大于凳子外形最大尺寸即可，如图9所示。

图9 上端障碍区

b.凳子向下不能超过其4个脚，在原有的凳子的下表面创建任意形状的障碍，大于凳子外形最大尺寸即可，如图10所示。

图10 下端障碍区

4.2 定义条件

1）切换工作环境到衍生式设计，开始定义设计条件及约束，如图11所示。

图11 切换工作环境

2）指定保留区域。保留区域的设定主要目的是在生成的设计中必须包含结构及设计，单击保留几何图元按钮并选择上表面及下表现4个脚作为保留约束条件，如图12所示。

图12 保留区设置

3）指定障碍区域。这一步的主要任务是所生成的设计必须避开的区域，单击障碍几何图元选择处理模型中生成的两个障碍区，如图13所示。

图13 障碍区设置

4）指定约束条件，单击结构约束，在图形中选择凳子4个脚的底面添加为本设计的固定约束，如图14所示。

图14 约束条件设置

5）指定载荷条件，单击结构载荷按钮，选择凳子上表面为目标，添加大小为300 N的载荷条件，如图15所示。

图15 载荷条件设置

6）指定设计目标。单击目标按钮设置以最小化质量为目标，并指定安全系数为10的设计要求，如图16所示。

图16 设计目标设置

7）指定制造方式。单击制造按钮，选择制造方式为增材制造方式，如图17所示。

图17 制造方式设置

4.3 生成结果

单击生成按钮运行衍生式设计，Fusion 360将设计的数据发送到云计算中心进行自动计算，这一过程会耗费一定的时间，运行中也能通过生成转台查看进度，如图18所示。

图18 运行衍生设计

4.4 完善设计

生成后的模型可以在软件中查看其具体的参数，本例的质量由原先0.039 kg下降到0.029 kg，整体质量下降了25.6%。也可以在后期下载后导入Inventor中虚拟装配，或者直接在Fusion 360结果视图中查看应力情况，如图19所示。

图19 完善设计参数

衍生式设计是基于大数据、云计算的人工智能设计技术[4]，它能协助设计者快速地得到设计结果并进行方案的评估，得到最优的解决方案，其人工智能的加入也使得衍生的过程不再依赖人的经验来获得[5]，Fusion 360作为Autodesk公司的主力设计产品，其深厚的设计功底助力了衍生式设计的发展。本例通过凳子的衍生式设计的流程，初步探索了衍生的设计流程及方式，为将来更多的工业化产品提供一定的借鉴。