这篇是希望以计算机来做家具结构设计——性能分析及结构优化，核心是3D打印技术的支撑。
介绍了国内外关于［拓扑优化］的现状。
作者：周阳峰 李 丽 张仲凤
摘要： 传统的家具结构优化大都依赖设计者的经验和感觉，缺乏科学性和准确性。运用拓扑优化，借助增材制造技术可得到科学合理、结构新颖的家具创新产品。笔者介绍了拓扑优化的概念和优势，梳理了拓扑优化的研究现状，认为加强家具结构力学的研究，开发专业的家具专业拓扑优化软件，加强以木粉为材料的增材制造技术的研究以及验证增材制造家具的力学性能是未来家具拓扑优化研究的方向。
关键词： 家具结构； 拓扑优化； 增材制造
传统家具结构设计大都依赖设计师的经验和判断[1]。结构设计方法则是通过打样、力学性能检测、设计方案校核这样的反复过程，直到找到一个可行方案。设计过程周期长、效率低、开发成本高，其结果仅仅是可行的、往往不是最优设计，而且设计强度过大或过小，可能造成材料浪费和安全隐患[2]。传统家具结构设计方法因为分析和设计存在大量的简化和经验,精确性差。同时，家具结构复杂性的增加及其设计要求的提高,使得传统的家具结构设计方法已满足不了当今设计的需要,人们急需一种具有科学性同时兼顾准确性和设计效率的新方法[3]。计算机的出现使这种要求成为可能。拓扑优化就是一种高阶的家具结构优化方法。
1 拓扑优化简介
拓扑优化是一种结构优化设计方法，由载荷驱动，旨在帮助设计人员在结构设计的初始阶段找出满足一定载荷条件和约束条件的最佳材料布局，优化的结果可以作为结构设计的重要依据，是当今结构优化的热点研究问题。拓扑优化的两个研究方向分别是离散结构优化和连续体结构优化。家具产品拓扑优化归属于连续体结构的拓扑优化，均匀化法、变密度法、ESO法 、水平集法则是连续体拓扑优化常用方法。拓扑优化必须依托强大的计算机软件才能得以实现，当前经常使用的拓扑优化软件有：Hyper Works的Optistruct模块、SolidThinking Inspire、Tosca以及ANYSY Workbench拓扑优化插件模块等。目前大多数的商用软件均采用变密度法进行求解拓扑优化。
2 家具结构优化简介
家具结构优化根据优化阶度可分为：尺寸优化、形貌优化、拓扑优化三大类[4]。尺寸优化的设计变量一般选择结构的主要尺寸，如杆件的横截面积，板或壳体结构的厚度，采用调整家具结构的几何尺寸的方式使构件的结构最优，而结构的几何形状和拓扑形式不发生任何改变。形貌优化通常为较小的家具表面节点调整，以减少局部应力集中，适用于产品外观需要微调的情况，仍不改变结构的拓扑形式。拓扑优化在考虑家具结构的拓扑连接方式的同时，结构内部边界形状也被考虑，其结构的几何形状和拓扑形式皆发生变化，是目前最高阶的家具结构优化方法。
图1 三种结构优化示意图
Fig.1 Three structural optimization diagrams
图2 家具拓扑优化案例示意图
Fig.2 Schematic diagram of topology optimization of furniture
3 家具拓扑优化国内外研究现状
家具作为一种典型的工业产品，创新能力直接影响到产品的核心竞争力。家具的结构创新设计则是家具创新设计的一个重要方向，目前有很多学者已经运用拓扑优化对家具产品进行结构优化设计，并结合增材制造技术[5]（俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的先进制造技术），得到了一系列造型优美，结构新颖，力学性能优良的家具产品。
3.1 国外家具拓扑优化研究现状
国外对家具拓扑优化研究主要集中在设计实践上，关于家具的拓扑优化研究仅作为拓扑优化与增材制造理论研究中的案例分析，并无特定的专著进行论述。2006年，Laarman [6]研究了人体骨头材料分布和构成，利用拓扑优化和金属铸造技术，设计并制造了“Bone”椅，实践表明最优形状来自于大自然。2012年，Michalato等[7]研究了拓扑优化中的材料灰色区域问题，用实验和预测证明了拓扑优化的方案可以通过增材制造的方式设计出来，并以椅子的拓扑优化为例。2014年，Christiansen等[8]在研究一种基于形状和拓扑优化的三维模型的自动生成方法时，对一组桌子和椅子进行了拓扑优化，得出家具拓扑优化与约束的位置和程度有关，不同的约束产生的拓扑形状不一样; Milkert等[9]利用拓扑优化与光固化立体成型技术设计并制造了“Gaudi”吧台椅和长椅; Huang [10]采用拓扑优化和Stratasys的3D打印机的设计并制造成了“durotaxis”椅; Zaha Hadid [11]利用拓扑优化设计了“On-demand”椅，并首次利用彩色多材料3D打印机成功制造，打破了3D打印家具长期的单一材质与颜色的现状; Lilian Van Daal[12]将仿生技术应用于家具设计中，并依靠增材制造技术制造了一款生物软椅; Kyttanen [13]利用拓扑优化设计了一款鸟巢状沙发，并采用光敏树脂，利用光固化立体成型技术制造；Hemmemerling[12]利用计算机生长算法拓扑优化了一款“Genrico”椅，研究表明，树木等自然界的生长方式可以给拓扑优化提供思路；Aleksandrina等[13]通过模拟自然界生物的生长构造的方式，利用拓扑优化与增材制造结合CNC技术，设计并制造了一款“Transitinal Fields”桌。2015年，Livid-Iacob Scurtu[14]等利用拓扑优化软件HyperWorks对墙上托架和一种家具三向连接件进行了优化，认为拓扑优化在家具减重以及节约成本等方面具有重要的意义。2016年，Schumacher等[15]在研究一种兼顾美学和稳定性的表面装饰拓扑优化方法时，以不同的装饰图案对S椅进行了优化，开辟了家具拓扑优化的新形式。
3.2 国内家具拓扑优化研究现状
图3 国外主要家具拓扑优化案例示意图
Fig.3 Diagrams of topological optimization of main furniture in foreign countries
国内对于家具拓扑优化的研究较少，仅有的也是主要集中在拓扑优化的软件使用上[16]。如2012年，齐文溥[17]利用solidThinking insipire这款拓扑软件进行了地铁座位的拓扑优化，并最终得到了优美、合理的地铁座椅设计。2016年，时建纬[18]使用同款软件对办公座椅五角爪进行了拓扑优化，得到了一种造型优美，力学性能出众的五角爪设计方案，同时对施加在三维模型的约束和载荷进行了说明，为后期的设计师提供了参考依据。2016 年，罗峥[19]利用SolidThinking inspire软件拓扑优化了一款造型独特的“树桌”雕塑家具。
图4 国内主要家具拓扑优化案例示意图
Fig.4 Diagrams of topological optimization of main furniture in home
4 总结
从家具拓扑优化研究现状中可以看出，国外的研究水平远高于国内。国外研究主要集中在设计实践上，且家具拓扑优化只作为拓扑优化理论研究中的案例分析。国内研究主要集中在通用拓扑优化软件的使用上。家具拓扑优化实践设计以椅类居多，其次是桌类。同时在研究中显示，2014年出现了很多以拓扑优化为基础的家具创新产品，这与增材制造技术的快速发展和高度重视是密切联系的。在同一年，国家工信部出台制定了《国家增材制造发展推进计划(2014—2020年)》，增材制造技术已被写入国策，充分说明了增材制造在未来制造业的巨大潜力。目前国内外学者已经做了一些家具拓扑优化的研究，但大多数都处于概念实验探索阶段，距离真正成熟应用还有很长的路要走。要想把拓扑优化技术作为中国制胜世界家具设计创新的一种重要手段，还需要在很多方面进行努力，如：
1）加强家具结构力学的研究。在当前的家具拓扑优化研究中，几乎都未对施加在家具产品模型上的载荷和约束进行解释说明，这使得拓扑优化在家具结构优化中处于黑箱状态，其数值只有设计师本人知晓，具有一定的局限性和伪科学性[20-25]。目前我国熟悉并掌握家具结构力学知识的主要为从事家具质量检测单位的相关人员和少数高校教师，而部分家具设计师无相关知识。因此应科学系统地研究施加在各类家具模型上的载荷类型、大小、位置以及约束的类型和位置等，总结出通用数据，并通过程序语言编写至家具专业拓扑优化软件中，而家具设计师只需进行傻瓜式操作即可。
2）开发专业的家具拓扑优化软件。目前所有研究中，研究者进行家具拓扑优化所采用的软件均为通用型拓扑优化软件如HyperWorks、Optistruc等，这种软件上手难度高，且需要专业的有限元知识，这就导致拓扑优化技术并不能被我国一般的家具设计师所运用。未来需要通过开发专业家具拓扑优化软件来解决，而家具设计师只需运用常规的三维建模软件如3Dmax、Rhino等建立原始家具3D模型，再导入到拓扑优化软件中运算求解，最后经由增材制造技术制造出家具。
3)加强以木粉为材料的增材制造技术的研究。目前增材制造技术所使用的成型材料主要为塑料和金属，而从家具市场的细分来看，木质家具依然占较大市场份额。虽然目前已经有以木粉为材料的增材制造相关研究报道，如何运用增材制造技术制造出木质家具产品，是一个必需攻克的问题。
4) 验证增材制造家具的力学性能。一方面增材制造技术本身存在一定的弊端，如制造精度不足将极大影响产品的力学性能。与此同时，当前增材制造家具的成本过于高昂，进行破坏性试验验证代价太高，因此现阶段由增材制造技术制造的家具产品是否满足使用要求还是一个未知的问题。另一方面，通过对增材制造家具进行力学性能的检测，对比有限元分析，将大幅度提高家具产品结构优化的科学性。
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Research Progress of Furniture Topology Optimization
ZHOU Yang-feng LI Li ZHANG Zhong-feng
（Central South University of Forestry and Technology, Green Home Engineering Technology Research Center in Hunan,Changsha 410004, China）
Abstract: The traditional furniture structure optimization depends on the designer's experience and feeling,lacking of scientific nature and accuracy.Using topology optimization and Additive Manufacturing technology,designers can get scientific and reasonable furniture products with original structure.By introducing the concept and advantages of topology optimization and carding the progress of topology optimization, it can be concluded that strengthening on research of the mechanical structure of furniture, developing professional topology optimization software about furniture, strengthening study on the Additive Manufacturing based on wood powder and verifying the mechanical properties of furniture are important direction for future research.
Key words: Furniture structure; Topological optimization; Additive Manufacturing(AM)
中图分类号：TS664
文献标识码：A
文章编号：1001-5299 （2018） 08-0001-04
DOI:10.19531/j.issn1001-5299.201808001
*基金项目：新世纪优秀人才支持计划人选(NCET-12-0725)； 湖南省自然科学杰出青年基金项目(16JJ1028)； 中南林业科技大学研究生科技创新基金(CX2016B29)
周阳峰，在读硕士研究生，中南林业科技大学材料科学与工程学院
张仲凤(通讯作者)，教授，单位同第一作者，E-mail:641038556@qq.com
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