OptFuture | 生成式设计探索未至之境

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前言

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在工程设计的长期实践中，工程师常常依靠经验调整设计迭代的方向，这种方法常常将探索锚定在熟悉的路径上。面对多目标、多约束的复杂设计挑战，工程师往往在几个有限方案间反复权衡，耗时漫长，却难以确认是否已触达性能极限。在工程实践中，大量更优、更巧妙的设计构型，正因为其超出常规认知而未被发掘。

传统设计流程受限于人工处理复杂变量的能力，以及逐一试错的时间成本，难以对庞大设计空间进行系统性的探索。生成式设计的出现，正是为了应对这一核心矛盾。它并非取代工程师的决策，而是将工程师从繁重的方案搜索中解放出来，扮演一个需求提出与方案审核的角色。工程师只需明确设计目标、约束条件和工艺要求，算法便能自主地在整个可行域内进行系统寻优，生成一系列超越经验直觉的高性能方案。这标志着从“人工驱动迭代”到“智能拓展可能”的范式转变。

优解未来OptFuture 2025.4.1版发布的生成式设计模块，为创造力插上翅膀，赋能工程师发现那些存在于物理规律之中、却一直静候于视野之外的未至之境。

生成式设计简介

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生成式设计的核心，是将工程师的设计意图转化为探索一系列CAE仿真模型。它始于工程师对需求的定义：从结构的设计空间、材料属性、真实工况下的载荷与约束，到必须满足的性能指标、目标重量或成本，乃至制造工艺（如增材制造的悬垂角限制或铸造的拔模要求）——这些工程参数，共同构成了设计探索的疆域。随后，优解未来的仿真平台将驱动智能算法，在这一范围内，进行系统性的深度寻优。它并非传统的优化方法，而是通过计算与迭代，直接生成一系列在力学逻辑与工艺约束下平衡得最好的、新颖而高效的结构构型。这本质上是一种由目标和约束反向驱动形态生成的创造性过程，旨在呈现那些凭借传统经验与直觉难以直接构想的高性能解决方案。

如图1所示，OptFuture生成式设计的过程包含4个部分：

1. 指定设计区域：用户根据创建或导入的部件指定生成式设计的演化区域。

2. 设置载荷与边界条件：根据结构服役环境，设置载荷、位移等力学边界条件。

3. 指定生成变量：指定生成式设计需要考虑的目标力学性能、力学约束（如材料用量、最大位移）、候选材料、制造约束（如增材制造悬垂角约束范围、拔模约束）。

4. 提交求解与后处理：经过生成式设计求解，OptFuture给出众多候选构型。工程师根据需要进行后续CAD模型修改、CAE仿真分析。

图1 OptFuture 生成式设计功能示意图

OptFuture生成式设计实例

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接下来，我们用单几何部件、装配体两个实例展示OptFuture生成式设计功能。

长方体悬臂梁

如图2所示，长方体悬臂梁整体作为生成式设计的设计区域。悬臂梁尺寸为40 mm × 60 mm × 120 mm，一端固定约束、一端承载均布在端面沿Y轴正方向的10 kN均布力。

图2 长方体悬臂梁

生成式设计的目标性能和力学约束记录在表1中，候选材料和制造约束记录在表2中。

表1 生成式设计目标性能和力学约束

表2 候选材料和制造约束

经过计算，OptFuture给出15个候选构型，它们的构型预览与最大位移如下图所示。从图中可以看出，不同于传统拓扑优化仅能给出确定性的一种设计方案，生成式设计能够一次性呈现出多样化的设计方案供工程师进行评价和甄选。这种设计模式重构了结构设计工程师的工作体验，将工程师从反复试错的低效重复劳动中解放出来。在生成式设计模块的帮助下，工程师仅需要从大量设计方案中挑选符合实际工况要求，且符合美学理念的最佳设计方案。