适用于 3D 打印零件的顶级仿真软件

魔猴君  知识堂   30天前

了解零件设计在压力下的表现对于工业设计师、工程师或 3D 打印领域的任何人来说至关重要。事实上，工程仿真软件已经发展。它变得更容易使用，并超越高度专业化的应用程序进入主流产品设计和开发，使更多的人能够节省时间、降低成本和创新。

在设计功能部件时，对一个又一个原型进行破坏性测试会浪费大量的时间、材料和金钱。当然，一些现场测试是必要的，但今天的软件模拟可以大大减少您重新设计零部件的时间。当在紧迫的期限内工作或什至作为一个副项目时，这是理想的选择。

Autodesk Fusion 仿真工具可帮助您找到并修复设计中的薄弱环节（来源：Autodesk）

了解您需要尽快重新设计并了解设计背后的机制（或机械问题），可以让您成为更好的设计师。在生产之前了解设计的机械性能的能力非常强大，尤其是在增材制造中，您经常会使用以前从未使用过的材料来构建之前从未制造过的独特零件。

让我们来看看最好的模拟工具和实践，它们可以帮助您更智能地从想法到最终零件。

仿真软件

Ansys Discovery 仿真软件（来源：Ansys）

虚拟压力测试可以让您评估当前设计对其任务的适用性以及可以改进的地方。了解设计的机制将使您了解哪些设计特征可以改变零件中特定区域的应力行为。当您进行制造设计时，这一点就会发挥作用，即当您意识到设计将如何生产（注塑、3D 打印、数控加工等）或是否可以生产时。

例如，也许您选择的用于减轻支架重量的填充物实际上使其无法完成其任务，或者您重新设计的用于将零件合并成一个复杂形状的散热器组件可能无法按预期发挥作用。这些问题可以通过仿真软件发现并纠正。

新的软件工具直接解决模拟中的 3D 打印问题，而其他软件工具则已扩展到纳入增材制造设计原理。

但是哪些模拟测试可以提供必要的信息呢？下面，我们将介绍最流行且价格实惠的计算机辅助工程软件工具 Fusion 360（今天称为 Fusion）中的模拟工具，作为这些程序通常如何工作的示例。

我们将向您展示如何使用 Fusion 应用模拟测试。然后，我们将了解仿真分析与其他工业软件（例如 Ansys、Creo Simulate、NX 和 Abaqus）的一些差异，以及它们提供的更强大的仿真环境。我们还将介绍流程模拟软件，这些产品可以模拟 3D 打印本身的流程，使您能够在构建室中发生翘曲和扭曲等构建故障之前预测并纠正它们。

但是等等，首先您需要了解一些机械工程概念（如果您还不了解）——最重要的是：有限元分析 (FEA)。

什么是有限元分析？

模拟构建和实际构建（来源：Ansys Additive Solutions）

FEA 研究零件或组件如何在其环境中相互作用，无论是发动机中的热量和压力，还是太空中的寒冷和失重。它考虑了零件的机械和材料约束，并将其应用于数字模拟。总体目标是了解零件在特定应力和应变下的表现。

用更专业的术语来说，FEA 是使用称为有限元法(FEM)的数值数学技术来模拟任何给定的物理现象。不用担心，该软件主要会为您进行数学计算。

正如我们已经提到的，仿真可以节省构建原型和进行实验的时间，节省构建原型的材料和测试原型的测试台的资金，以及机械师等外部帮助进行更多迭代。

在增材制造行业中，使用 FEA 是节省开发时间和成本的关键。但还有更多。将 FEA 纳入增材制造工作流程的其他好处包括：

更好地了解材料选择和选项

更好地了解适当的测试场景，以准确地对您的零件进行压力

尽管 FEA 具有巨大的优势，但它并不能消除某些物理测试的必要性。仍然需要进行测试。在计算机上进行模拟 (FEA) 与在现实场景中在测试设备上进行测试之间存在差异。但模拟通常可以防止您进行错误的物理测试、走完全错误的设计道路以及使用不合适的材料进行构建。

Fusion 360 中的应力模拟（来源：Autodesk）

当您继续使用 FEA 和 FEA 软件工具时，您将更好地了解需要多少特定于力的应用程序，以及这如何决定分析的成功或失败。对于该过程的新手，请随意进行多次模拟，直到结果有意义为止。

从那里，您将能够相应地修改您的设计，对其进行原型设计，然后在现实场景中对其进行测试。将您的分析与准确的寿命测试结果进行比较，以改进您的物理测试或模拟设置和参数，或两者。

FEA 软件或带有 FEA 工具的计算机辅助工程 (CAE)/计算机辅助设计 (CAD) 软件通常很复杂，应该在能够运行模拟而不会陷入困境的硬件上运行。在本文后面，我将介绍可用于对 3D 打印零件运行有限元分析的软件包及其系统要求，这是值得注意的。

Fusion 360 模拟选项（来源：Autodesk）

设置模拟的周界

在开始使用 FEA 之前，您还应该了解一些有关 FEA 的知识。主要是，虽然软件模拟了压力，但你仍然需要告诉它如何模拟压力以及模拟什么压力。

FEA/CAE 软件包中有几种不同类型的仿真。

静态分析研究零件在应力和应变下的变形。这是最常见的结构分析类型之一。

动态分析将噪声、振动和加速度引入其中。

另一方面，多体动力学包括具有多个运动部件（例如发动机）的多维、复杂组件上的应力。主要目标是了解系统内运行的不是一种力量，而是多种力量，以及这些外部因素如何影响每个部分。

在开始分析设置时，需要记住一些事项。根据您的应用，可能有一个行业标准可供您研究。这使您更容易设置。通常，这些标准包括边界条件和初始参数，具体取决于您的应用。有时，会使用初始参数来定义研究，例如施加的力、材料属性、攻角、压力、方向等。

另一个重要术语，安全系数，是指零件的强度与其最大应力之间的比率。确保您使用适当的边界条件和假设正确地设置您的研究。

运行模拟应包括以下步骤：

使用 CAD 软件对零件或装配体进行建模

生成网格模型

确定行业标准或相关边界条件（如果适用）

运行模拟

后处理和分析。得出结论，并根据需要细化网格或重新设计零件并重新运行模拟。

请记住，运行 FEA 仿真并不是一个一劳永逸的过程。这是一个迭代过程，涉及测试初始参数和初始设计。然后您获取结果、分析它们、改进设计并重新测试。冲洗并重复，直到结果符合您在研究开始时概述的成功标准。如果不需要更改设计，您就有了一个工作设计，您确信该设计将提供可接受的性能。

融合模拟

Fusion 360 中的事件模拟可以预测跌落和撞击的影响（来源：Autodesk）

现在您已经熟悉了 FEA，接下来我们来讨论一下 Autodesk 在 Fusion 中提供的功能以及作为可选仿真扩展的功能。

Fusion 的基本订阅中有模拟工具，包括：

静态应力

型号频率

热分析

热应力

结构屈曲

非线性静应力

事件模拟

形状优化

静态应力将允许您确定模型或组件的最大应力和位移。在处理系统振动时，模态频率会发挥作用。热分析负责热分布及其对零件的影响。屈曲旨在了解零件在压缩下会发生什么情况或如何失效。了解非线性应力使您能够在装配体中使用非线性材料来分析永久变形。事件模拟将时间依赖性引入模型中，这对于实时模拟非常有用。

我的大部分有限元分析经验都来自非线性应力分析和事件模拟。讨论的重点是形状优化，介绍如何使部件轻量化或刚性化，从而提供生产的成本效率和可持续性。

我使用 Fusion 的 FEA 软件为我的一位客户改进了相机支架的设计。我经营一家产品开发公司，其任务是增强客户的设计并确保设计能够满足他们的要求。使用 FEA，我能够确定：

在其环境中使用的安装座的最佳设计是什么

随着时间的推移，零件会受到什么力

额外的减少和修改以保持安装的刚性

由于安装座承受高重力（漂移、加速度突然变化），因此我进行了事件模拟，以了解零件的寿命以及如何进一步完善设计。鉴于 Autodesk 一直在通过频繁更新改进其软件包，我决定使用 Fusion 360 的 FEA 软件。对于小型初创公司来说，Fusion 的价格也相对便宜。

更不用说，Fusion 包括非常方便的增材制造和生成设计工具包，我喜欢将我的工作流程包含在一个软件包中，我可以在其中设计、改进、分析和制造。

当然，如果您想在 Autodesk 生态系统中进行更加复杂的模拟，可以使用 Fusion Simulation Extension（1,465 美元/年）。此扩展具有更强大的模拟工具，包括：

非线性静态应力：大变形、运动、接触和负载变化行为）

结构屈曲

事件模拟：预测随时间变化的力如何影响 3D 设计性能。

模态频率：检查自然、自由振动对您的影响

注塑成型

电子冷却：识别因过热而导致电子元件和零件故障的风险

衍生式设计：探索满足您的设计规范的多种结果，同时减轻重量并提高性能。

热模拟：微量热传递和温度引起的应力

注塑模拟对于比较 3D 打印零件与相同注塑零件的性能特别有用。

Autodesk 还提供增材制造仿真工具，作为 Additive Build Extension for Fusion 的一部分，但它不是 FEA 工具，而是允许您复制现实世界的增材制造工艺（选择性激光烧结、粉末床融合等）并预测变形和常见的打印故障。根据模拟结果，Fusion 可以自动补偿几何形状，以在 3D 打印时获得所需的形状。该功能的更高级版本可通过 Autodesk 的 Netfabb 软件获得。

但是，对于那些不太熟悉该技术的人来说，Fusion core FEA 是一个很好的入门工具。它使用 Autodesk Nastran 的“精简”版本，保持软件的用户友好性。查看这个方便的教程，介绍如何在 Fusion 中设置模拟。

当然，还有更强大的模拟程序。我们下面提到的一些产品不仅能够模拟几乎任何压力或事件，而且还可以帮助您更好地重新设计零件。这些解决方案还在产品生命周期的每个阶段（从概念到印刷到质量保证）纳入了多个级别的模拟，以创建完整的闭环。

顶级仿真软件

下面的软件包允许进行更深入的非线性模拟、多物理场、网格微调以及使用不同元素的能力。有些不仅可以运行各种模拟场景，还可以提出最佳设计方向。

您可能会在某些仿真应用程序中发现另一个复杂的功能，这远远超出了我们在此介绍的内容，那就是数字孪生，它是现实世界系统的完整虚拟原型。

1、Ansys Discovery Simulation 2024 R1

也许最深入的 CAE 软件包之一来自软件发行商Ansys。 Ansys Discovery 不像 Fusion 那样从设计开始，然后通过仿真进行完善，而是一款仿真驱动的 3D 设计工具。为每次分析提供技术深度是该程序的强项。更不用说每次模拟的细化和定制水平。它用于模拟机械设计、光学、流体、外科植入物等。

Ansys 提供多种软件包，包括 Ansys Mechanical（易于使用的通用多用途工具）、Ansys Fluent（用于高级物理建模）和 Ansys LS-Dyna（用于非线性仿真、多物理场等）。他们还提供免费试用，仅限于它可以解决的一定数量的节点，但值得试运行。

Ansys 还包括一个增材套件（增材，如增材制造或 3D 打印），其特点是：

添加剂制备

增材打印

添加剂科学

2、Dassault Systèmes Simulia 2024

达索系统 Simulia 软件中的 Abaqus 有限元分析（来源：达索系统）

Dassault Systèmes（Solidworks 制造商）的 Simulia 是一款强大的工具，可以在制作物理原型之前加速评估材料和产品的性能、可靠性和安全性的过程。

它提供了广泛的模拟类型，例如多物理场、计算流体动力学、标准机械静态分析等等。对于汽车行业的工程师来说，这是一个有吸引力的解决方案，因为他们需要模拟从车辆负载和振动到碰撞和声结构耦合的许多不同效果。

Abaqus Unified FEA 是 Simulia 的可选产品套件。它具有三个模块（标准、显式和多物理场），可以管理涵盖广泛工业应用的常规和复杂的工程问题。

3、Comsol Multiphysics 6.2

Comsol Multiphysics软件不适合初学者，工程师和研究人员可以使用它来模拟跨行业的真实设计、设备和流程。常见用途包括电池设计和燃料电池、半导体器件、微流体以及具有化学反应特征的部件的产品设计。

这是另一个多模块解决方案，旨在涵盖从流体和热到化学和声音的工程模拟的所有基础，使您能够仅选择所需的模块。 6.2 版本的更新带来了更快的计算速度和改善的用户体验，最新版本现在使用新的代理模型框架，可以实现更准确的数字孪生。

幸运的是，对于那些经验较少的人来说，它与一长串 CAD 程序集成，包括 Revit、AutoCAD、Solidworks、Solid Edge 等。例如，Comsol Multiphysics 与“LiveLink for Solid Edge”的集成可以帮助您通过仿真优化设计，同时在仿真过程中为您的设计提供并发更新。当两个程序同时打开并且您正在求解优化研究或运行参数扫描时，双向更新是自动的。这种集成并不像您在两个不同的程序之间切换。

4、Siemens Solid Edge & NX 2024

对于大多数产品设计师来说，进入强大的西门子软件世界的切入点是该公司的 CAD 工具Solid Works，它内置有限元分析 (FEA)。

Solid Edge Simulation 基于有限元建模和 Simcenter Nastran FEA 技术，具有完整的运动仿真套件，因此您可以评估和可视化零件在装配中的相互作用，了解产品在整个操作周期中的性能以及功能在现实世界。

西门子在 60 年代为 NASA 开发了 Nastran。它提供多学科结构分析、非线性分析、嵌入式疲劳和振动疲劳分析。 Solid Edge Simulation 中的全新自动化网格生成流程可轻松生成网格，无需参数即可控制网格。

该公司表示，在最新的更新中，Solid Edge 2024 的改进重点是提升用户体验。使用人工智能和云，可视化现在更快，并且可以按需提供附加产品。

Solid Edge 内部的 FEA 是一个功能强大的工具，但高级工业设计师会选择西门子 NX 和 Simcenter 3D 中最先进的全功能仿真环境。

5、Altair Inspire Print3D

当谈到 Altair 的仿真解决方案时，很难知道从哪里开始。如果可以进行模拟，Altair 就有相应的工具。几乎所有工程师、设计师和研究人员的行业都被 Altair 覆盖。

因此，在这里，我们只关注 3D 打印和 DfAM 功能。

在“工业设计”类别下，Altair 提供了用于设计、可视化和拓扑优化的工具，而在“可制造性”类别下，您可以找到他们所有的仿真工具。有一些模块可以评估产品可行性，优化制造工艺，并对许多传统、减材和增材制造工艺进行虚拟试用，以便进行比较。

Altair 的产品可制造性应用程序专为多个行业量身定制，包括汽车、航空航天、电子、制药和重工业。事实上，大约有两打模拟程序，其中包括 Inspire Print3D，它专门用于使用选择性激光熔化 (SLM) 创建结构高效的 3D 打印零件。

编译整理：ALL3DP