9.5 人工智能时代机械设计方法的创新在线视频

各位同学大家好

今天我们继续学习第九章

现代设计方法概论当中的

衍生式设计这样的一种新的方法

从我们现在大家可以看到的

工业革命的进展当中 我们可以看到

已经经过了四次工业的这样一种变化

那么从第一次的机械化

到第二次的电气化

到第三次的自动化

那到现在的第四次工业革命 智能化

信息化和网络化的这样一个发展随着

工业革命以及制造业的这样一种变革

那么给我们的设计技术

也带来了一系列的变化

所以今天呢 我们要给大家讲到的

这样的一种设计方法呢

就是有关由于制造业的这样一种变革

而引起的一种新的设计方法

那么这种设计方法呢

我们把它称之为衍生式的设计方法

那么这种设计方法的出现呢

实际上是更贴近

我们这样的一个实际的需求

好 那接下来呢

我们来看一下

为什么会出现这样一种新的

设计方法

那对于传统的设计方法来说

我们通常的是设计师

加上一部计算机 然后呢

我们可以得到有限的设计选项

那么现在呢 我们再来看一下

随着计算机技术的快速发展

现在呢 我们可以看到

我们的设计方法和设计的流程

也在发生着变化

我们现在呢可以通过一个设计师

那么利用我们现在的人工智能算法

那么再加上云端的演算

我们可以生成千百种可能的设计选项

那这千百种可能的设计选项

和我们传统的设计方法当中

所得到的有限的设计选项相比

对于我们的设计的自由度来说

就增加了很多

那么其中呢 我们可以看到

在千百种可能的设计选项当中

很多是突破我们原来的

传统的设计方法所能得到的

这样的一些设计方案

好 那接下来呢

我们具体的来看一下

什么叫衍生式设计

衍生式设计呢 它的英文的名称是

Generative Design

那么它的翻译呢

在我们国内有两种翻译的方法

那么 今天我们看到的

这样的一种翻译方法呢

我们把它称之为衍生式设计

在国内呢 还有另外的一种翻译方法

把它称之为创成式设计

这两种翻译的方法

在我们国内的是通用的

对于衍生式设计和创成式设计

那么 这样的两个名词

它指的是同样的一种设计方法

都是我们在这里提到的

Generative Design

好 那接下来呢 我们来看一下

衍生式设计究竟

和我们传统的设计方法有什么不同

那么首先呢 我们来看这样的一个案例

那么这个案例呢我们大家可以看到呢

这是我们飞机的

这个机舱的这个仿生隔板

那么这个隔板呢 我们可以看到呢

它有这样的一些设计要求

这个设计要求呢 我们看到第一个

需要大幅的减重

以满足整机轻量化的设计要求

因为我们大家知道 对飞机来说

那么它的重量的减轻

也就是我们在这里提到的

轻量化的设计

哪怕减重几克

那么对于整个的燃油的消耗来说

就会要

降低很多 那因此呢 我们现在呢

对于这样的一个隔板的要求来说

我们要求呢 这样一个隔板呢

要大幅的减重

但是呢 在减重的同时

还要满足强度和高度的要求

那么这里的强度的要求我们可以看到

它要求的是

能保证两个座椅的安装需求

那么 使我们的乘务员在

起飞和降落的这样一个阶段当中

他能够在这样一个座位上的进行就座

好 那么根据这样一个要求

我们来看一下

利用我们传统的设计方法

我们有没有办法来进行解决呢

实际上 我们在这里可以看到

利用我们传统的设计方法来说

我们要进行这样的一个

隔板的轻量化的设计

我们通常采取的一种方法

是叫结构的拓扑优化

那今天呢 我们在这里来看一下

拓扑优化

和我们在这里提到的衍生式设计

它们两个之间有没有区别

对于仿生隔板的设计来说

我们在这里采取的框架呢

我们可以看到

我们可以采取两种

一种呢是这种黏菌式的框架

还有一种呢是骨骼式的这种框架

利用这样的两种仿真的手段

我们来进行隔板的轻量化的设计

那么这种清量化的设计 我们来看一下

那么经过了我们这样的一种衍生式的

设计方法之后 我们可以看到

我们可以得到

这么多的方案

那么现在我们可以看到的

屏幕当中的这样一些方案来说

那这在我们传统的设计当中

我们是不可能同时生成的

甚至呢 我们从屏幕当中也可以看到

有些设计方案

完全突破了我们原来的设想

那这样的一些方案

它是如何来得到的呢

为什么通过衍生式的量用设计方法

它就能得到这么多的设计方案呢

接下来呢 我们来看一下

现有的隔板和仿生隔板的

应力测试的比较

也就是我经过了这样的一个

衍生式的这样一种设计方法

那么在刚才看到的成千上百的

设计方案当中 我们选择其中的一个

来作为我们这样的一个仿生隔板

我们来看一下

现有隔板和仿生隔板的

应力的测试比较

从这个测试比较当中我们可以看到

新的仿生隔板的重量下降了30公斤

我们可以看到 这里的单位是30公斤

对于我们现在的飞机来说

哪怕它的重量下降几克

对整个的燃油消耗就会下降很多

那么现在我们可以看到

隔板的重量下降30公斤

这是一个非常非常

惊人的这样一个数字

那么重量下降这么多之后

我们来看一下它的应力的变化

相对于我们传统的这样一个

设计方法所得到的隔板来说

有没有这样一区别呢

我们从图当中我们就可以看到

位移的变化量我们可以看到

比之前

用传统设计方法所得到的隔板

它的位移量还要小

所以我们可以看到呢

采用衍生式的设计方法

我们所得到的仿生隔板

既满足了强度和刚度的要求

同时呢 它又使我们的重量下降

很多 那么因此呢

我们可以看到这样一种设计方法

在仿生隔板的这样一个设计当中

是非常成功的

从这个屏幕当中我们可以看到 每块

隔板一年呢 可以节约

燃油呢 3180公斤

每架空客3201年可以减少碳排放

1.66吨所需要的材料减少95%

那么 从这样的一个数字当中

我们可以看到采用衍生式的设计方法

所得到的这样的一种设计方案

是非常有效的 尤其是在我们飞机的

这样一个轻量化的设计要求下

它是非常成功的这样一种设计方法

好有同学可能会说

那是不是仅仅是在这样的

一个案例当中

它得到了成功的应用呢

来 接下来呢 我们来看一下

NASA的登陆舱

NASA的登陆舱呢

我们可以看到它的外形

我们可以看到呢 像蜘蛛

那么这里面的我们看

它包括了外部结构 包括了

脚架 包括了承载物 包括了货舱

从这里面呢 我们来看一下

对于NASA的这样一个登陆舱来说

它中间是如何进行演变的

对于我们现在可以看到的

NASA登陆舱来说

对于很多的从事航空航天工作的

人员来说

由于目前的增材制造技术

它缺乏相应的标准 缺乏一致性

和稳定性的一些验证 所以在

相关的制造技术的选择上

对于增材制造技术的应用

是非常慎重的

但是我们现在可以看到

采用衍生式的这样一种设计方法

我们采用传统的机加工方式

我们依然可以得到

一个比较理想的设计效果

那么 从现在大家看到的这个图片当中 我

们可以看到它的重量是下降了35%

它采用的这个技术呢 我们会看到

它是采用了一个符合制造的这

样一种方法

它在这里面呢

既采用了铸造的这样一种方式

同时采用了计算机数控的

@的这样一种方式

那另外呢 在这里面呢

它也采用了3D打印的方式

因为呢 我们采用衍生式的设计方法

所得到的设计方案

通常含有复杂的型面和曲面

那么这样的一些复杂的型面和曲面

利用传统的机加工的方式我们是很难

把它加工出来的 因此呢 在这里面

我们其中的某些部件就必须要采用

3D打印的技术来进行完成

那有同学可能就会提到

那么我们现在看到的这两个

一个是空客 一个是NASA

那么都是来自于国外的案例

那接下来呢我们来看一下

我们国内的一些相关案例

那这个呢 大家可以看到

这是我们华南理工大学

他们在参加机器人比赛当中 他们

所进行的这样一种设计

那另外呢 我们看一下这个案例呢

是来自于我们的浙江大学

采用的基于点阵结构的仿人机器人

下肢进行了轻量化的

研究对仿人机器人的下肢进行

轻量化研究的这样一个过程当中

它采用了拓扑优化

同时采用了衍生式的设计方法

那么我们可以看到左边的这个图

我们可以看到 这是拓扑优化的情况

那么右边的这样的一些方案呢

是衍生式设计的这样一种方案

衍生式设计呢

它是模仿自然进化的这样一个过程

根据给定的设计要求

我们采用特定的算法来快速的生成

大量的设计变体

以找到最佳的解决方案

所以这是两个之间的区别

我们来看一下

对于这样一个下肢来说

它采用拓扑优化的这种方法

和衍生式的设计方法

我们得到的结果有什么区别

对于拓扑优化来说 我们可以看到

它只能加载单种工况

但是对于衍生式设计来说

它可以加载多种工况

同时我们可以看到下边的

两组数据的对比

对于受压来说

我们可以看到拓扑优化

是50.1兆帕

对于我们的衍生式设计来说

是47.75兆帕

两者是基本是相当的

但是我们来看一下

它所承受的弯曲的情况

对于拓扑优化来说

它所能承受的弯曲应力是309

对于衍生式设计来说呢是90兆帕

所以从这样的两个方案当中

我们可以看到

拓扑优化和衍生式设计方案

两个之间的量一比较

那接下来我们再来看一下

从重量的这样一个变化上

对于它的大腿骨 小腿骨和足部

我们可以看到

对于拓普优化和衍生式的方案来说

轻量化的这个比例

从屏幕当中我们就能看到两者之间

一个非常明显的这样一个区别

因此呢

我们说衍生式的设计方法呢

是一项非常成功的设计方法

它可以突破

我们传统的设计方法的界限

突破我们

在传统设计方法当中对于设计方案的

一些想象

我们可以得到一些非常创新的

这样一些设计方案

好 有关衍生式设计方法

它的基本内容 我们就给大家讲到这