■周阳峰¹ 李 丽² 张仲凤³ Zhou Yangfeng¹ & Li Li² & Zhang Zhongfeng³

(1.2.3中南林业科技大学，湖南长沙，410004）

摘 要：中国正在由家具制造大国向制造强国迈进，传统家具结构设计方法已满足不了当今设计的需要，亟需采用更加科学高效的新方法，计算机技术的迅速发展及拓扑优化的出现,使这种需求成为可能。本文介绍了家具产品拓扑优化的的研究现状，分析了拓扑优化对家具减重、探索家具新结构、创新家具设计方法、对接增材制造的意义，介绍了家具产品拓扑优化的一般步骤，总结了家具产品拓扑优化目前存在的问题和未来发展趋势。

关键词：结构优化 ；家具 ；家具产品 ；拓扑优化 ；增材制造 ；

Abstract: China has become the largest furniture manufacturer in the world and will become a powerful furniture manufacturer while the traditional furniture structure design method has been unable to meet the needs.We need to adopt more scientific and efficient method.While this needs will be satisfied by the rapid development of computer technology and the emergence of topological optimization.Firstly,this paper introduces the research status of topological optimization of furniture product and analyzes its significance to loss of weight,explores new structures,innovative design method and butt additive manufacturing of furniture.Then,it introduces the general steps of topological optimization of furniture products.Finally, it summarizes the existing problems and the future development trend of topological optimization for furniture products.

Key words: Structure Optimization; Furniture;Furniture Product; Topological Optimization; Additive Manufacturing

传统的家具结构优化大都凭借设计师的感觉和经验，在设计尺度上往往出现过大的情况，容易造成原材料的浪费。家具的力学性能检测和结构强度评估也大多依赖设计者的直觉和破坏性试验，是一个进行反复校对和再设计的过程，不仅费时费力，造成材料的浪费，其结果的科学性和严谨性也不够。拓扑优化作为当今结构优化研究的热点，已经广泛应用于航空航天、机械制造、微机电制造以及车辆工程等多种工业设计领域，在探索新型结构、减量化设计、及对接增材制造等方面发挥着巨大的作用。家具作为一种典型的工业产品，也亟需一种高效科学的优化方法，在家具减重和创新家具产品的同时，使得家具产品的结构设计更具科学性和高效性，而拓扑优化便是其中的有效方法之一。

1 优化设计概念

1.1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和约束条件的最佳材料布局[^1-2]，优化的结果可以作为结构设计的重要依据，是当今结构优化的研究热点问题。常见的结构优化方法分尺寸、形貌和拓扑优化三种^[3]。拓扑优化在优化时，考虑结构拓扑连接方式的同时，结构内部边界形状也被考虑，是一种高于尺寸优化和形貌优化之上的高阶结构优化方法^[4-5]。拓扑优化的两个研究方向为：离散结构优化和连续体结构优化。家具产品拓扑优化则归属于连续体结构的拓扑优化。均匀化法^[6]、变密度法^[7]、ESO法^[8] 、水平集法^[9]是目前连续体拓扑优化的常用方法。拓扑优化必须依托强大的计算机软件才能得到实现，主流的拓扑优化软件包括：Hyper Works的Optistruct模块、SolidThinking Inspire、Tosca、ANYSY Workbench拓扑优化插件模块等。大多数的商用软件采用变密度法进行求解实现。

■图1 骨椅

1.2 家具拓扑优化

家具拓扑优化是指在满足一定使用载荷条件下，以刚度最大或者质量最小等目标得到家具产品雏形的设计方法，可以作为后续家具深化设计的造型基础和力学强度的参照依据。目前已经有很多设计师运用拓扑优化并结合增材制造技术，进行了家具产品的创新设计。如国外设计师Joris Laarman的"骨椅”（图1）、Aleksandrina的"渐变原型桌”、Emmanuel的"高迪吧台椅”、国内设计师齐文溥的仿生地铁座椅设计（图2）等。拓扑优化作为一种愈来愈越成熟的结构优化方法，也应当更好的被应用于家具产品的创新设计中，使家具设计更赋予科学性和合理性。

■图2 仿生地铁坐椅

2 拓扑优化在家具设计中的意义

2.1 家具减重

拓扑优化是根据载荷，找出满足条件的最佳材料布局，意味着部件中的伪密度部分可以被"杀死”，经由拓扑优化得到的家具产品，结构将更具轻便性，大幅减少原材料的消耗。国内设计师时建纬使用solidThinking inspire对一款老板椅的五角爪进行了拓扑优化，最终获得的产品重量仅为初始设计的30%，大大对家具的零部件进行了减重，并且造型和力学性能也不逊于市面上的五角爪产品（图3）。

■图3 老板椅五角爪拓扑优化

2.2 探索家具新结构

在拓扑优化时，起始设计空间的形状是被知晓的，而最终的结构形态则是未知的。由于优化目标不同，结构形状也不同，得到多种衍生方案成为可能。Livid-Iacob Scurtu等利用拓扑优化软件Hyper Works对一种家具三向连接件进行了优化（图4），设置的优化目标以及施加对称约束不同，得到不同的优化设计方案，衍生了多种不同的家具部件结构形态^[10]。家具结构创新，是家具设计创新的重要方向之一，在以创新为主流的今天，越来越成为家具产品的核心竞争力之一。目前已有众多的设计师利用拓扑优化技术，得到了许多新型家具结构形态。这些新型的家具结构并不是由设计师凭空臆想出的，而是以拓扑优化的结果为参考依据而设计出来的。

■图4 家具三向连接件拓扑优化概念设计方案

2.3 创新家具设计方法

传统的家具设计方法是由造型设计到结构设计再到力学性能检测的反复过程^[11]。家具造型和结构形态都是设计师预先设想的，包括最终的力学性能检测也是制作出样品以后，由经验法或者破坏试验进行验证。家具拓扑优化设计则是在从力学结构出发，一开始就可以得到满足使用载荷的家具造型和结构形态，且这种结果并不是设计师预先构想的，包含着无限的可能性。是一种逆向的家具设计方法。可以源源不断地带给设计师新的灵感，也使得设计的家具产品更具科学性。

2.4 对接增材制造

作为近30年快速发展的增材制造技术，能使任何零件快速而自由地被制造，且只制造所需要的部分，相比于传统减材制造的方式，能极大地减少材料的浪费。拓扑优化之后的三维模型可以直接转换成适用于增材制造的文件格式被制造出来，实现了家具产品从设计到生产一体化的数字制造方式，大大缩短家具产品的开发周期，真正实现了智能化设计和生产。

■图5 家具产品拓扑优化流程示意图

3 家具产品拓扑优化设计的一般步骤

3.1 建立家具产品原始三维模型

用于拓扑优化的家具产品原始三维模型，只是一个设计域，规定了设计边界。最终的优化结果将逐步从原始三维模型中衍生。三维模型既可用常用的三维软件如3Dmax、Rhino、Evolve建立，也可由拓扑优化软件的模块插件进行建立。原始三维模型是拓扑优化的基础，其网格的剖分密度直接会对结果产生重要影响。但目前大多数的拓扑优化软件都具备自动化分网格的功能，这一定程度上了减少了由网格划分导致的优化结果的不确定性。

3.2 确定材料属性

材料作为设计产品的落地实现者，有着自身独一无二的属性，这些属性经由不同的参数维度来体现。在拓扑优化设计中，所关注的材料参数主要有：杨氏模量、密度、泊松比、热膨胀系数、屈服应力^[12]等。选定的材料不同，其优化的结果也存在一定差异^[13-14]。

3.3 施加载荷和约束

3.4 设定优化目标并求解

设置正确的优化目标，有利于加速拓扑优化的收敛。常用的优化目标有刚度、质量、振动频率、厚度、精度、接触类型以及是否考虑重力等。针对设计方案，设置正确的优化目标，才能得到更为精准的优化结果。常用的优化目标有刚度最大以及质量最小，为了便于收敛，在厚度和精度的设置上常采用软件默认形式。体积分数一般认为设置数值为0.3-0.5时^[16]，可以获得较好的优化结果。家具产品不属于周期性振动使用的产品，因此不考虑频率约束。家具产品的质量相比于使用者的质量来说，可以忽略不计，因此在一般的家具产品拓扑优化方案中也不考虑重力对拓扑优化的影响。最终由拓扑优化软件进行运算得到满足载荷条件的优化设计方案。

4 家具拓扑优化设计的现状以及存在的问题

目前，大多数家具产品拓扑优化尚处于实验阶段。每件产品都带有设计师的个人色彩，不具有设计的一般性和通用性，后来的家具设计者并无参照的依据。研究家具产品拓扑优化，形成科学合理的方法和步骤，阐清设计过程中的原理，使得拓扑优化可以成为一般设计师所使用的家具设计方法。

5 结语

拓扑优化是家具减重以及创新家具结构的有效方法，可以为新产品的开发提供新的思路。对家具三维模型施加正确的载荷和约束，是正确实现家具产品拓扑优化的前提条件。拓扑优化作为一种新型的结构优化方法，在家具中的应用将会越来越广泛。同时，作为一种新型的家具设计方法，将会进一步推动家具设计的科学性和合理性。由于拓扑优化的家具产品直接由增材制造的方式被制作出来，因此对于推动家具产业实现智能制造升级转型也具有重要意义。

（责任编辑：吉 湘）

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基金项目:湖南省自然科学杰出青年基金项目(16JJ1028),新世纪优秀人才支持计划人选(NCET-12-0725)

作者简介:周阳峰(1991-),男,硕士研究生,研究方向:家具结构优化与制造技术研究,E-mail:2359820582@qq.com

通讯作者:张仲凤(1975-),女,教授,博士,研究方向；家具新技术与新工艺研究,E-mail:csfuzzf@163.com

引文格式:周阳峰,张仲凤.家具产品拓扑优化研究[J].家具与室内装饰,2017,(11):34-35.

Zhou Yang Feng, Zhang Zhong Feng. Research on Topological Optimization of Furniture Products[J]. Furniture & Interior Design , 2017,(11):34-35.

注：本文来源于《家具与室内装饰》