你無需了解如何進行設(shè)計，只需要明確自己的需求，并告知軟件相關(guān)限制條件，它將為你提供所需的解決方案，這就是衍生式設(shè)計所做的事情。

衍生式設(shè)計（Generative Design），又稱為"生成式設(shè)計"，是一項人工智能技術(shù)，能夠顯著改善產(chǎn)品性能、提高工作效率并降低成本。它通過一系列規(guī)則或算法，將需求和限制條件轉(zhuǎn)化為自動化設(shè)計的解決方案。利用計算機的處理能力和優(yōu)化算法，衍生式設(shè)計能夠為用戶提供符合要求的最佳設(shè)計方案。

衍生式設(shè)計可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域，包括：

• 消費產(chǎn)品
• 汽車零件
• 航空航天
• 工業(yè)機械
• 建筑產(chǎn)品
• 醫(yī)療產(chǎn)品
  

傳統(tǒng)的3D設(shè)計軟件主要依靠參數(shù)驅(qū)動、約束來完成模型設(shè)計。然而，衍生式設(shè)計采用了完全不同的思路。用戶輸入的參數(shù)并非具體的尺寸，而是目標(biāo)產(chǎn)品的性能、空間要求、材料、重量、制造方法和成本等參數(shù)，通過這些參數(shù)生成最終的3D模型。

此外，衍生式設(shè)計與拓撲優(yōu)化有著明顯的區(qū)別，盡管它們很容易被混淆。拓撲優(yōu)化的作用是在工程師完成某一設(shè)計之后，從原始解決方案中去除材料，進行優(yōu)化改進。而衍生式設(shè)計則不需要一個原始解決方案，而是根據(jù)你提的要求給出全新的解決方案。

為了讓大家更好地了解當(dāng)前可用的各種衍生式設(shè)計工具，我們編制了一份非常詳細的軟件清單。該清單包括獨立的衍生式設(shè)計軟件，以及其他軟件中包含的衍生式設(shè)計擴展模塊。

NTop

nTop（前身為nTopology）是一款面向增材制造的高效設(shè)計平臺，它使你能夠根據(jù)特定要求創(chuàng)建自己的生成算法。該公司旨在為用戶提供具備必要控制級別的工具，以便你能夠更快、更高效地進行迭代。生成式設(shè)計包含三個核心組成部分：幾何圖形生成、基于約束和要求的設(shè)計優(yōu)化，以及自動化設(shè)計循環(huán)。

nTop建立在獨特的隱式建模引擎之上。在隱式建模中，3D幾何被定義為數(shù)學(xué)函數(shù)，而不是外部表面和邊緣。這使得工程師能夠快速生成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如晶格或厚度可變的殼體，并同時提供了所需的可靠性，以支持自動化設(shè)計循環(huán)。

最后，該軟件具備設(shè)計自動化功能，使工程師能夠構(gòu)建可重復(fù)使用的流程。當(dāng)輸入變量發(fā)生變化時，這些流程將自動重新運行。這樣，你可以快速進行迭代，并自動生成多個候選設(shè)計，并根據(jù)工程要求進行評估。

Fusion 360

Fusion 360是由Autodesk開發(fā)的基于云的3D建模軟件，將CAD、CAM和CAE工具整合到一個統(tǒng)一的平臺中。Autodesk的生成設(shè)計技術(shù)是Fusion 360軟件的可選擴展，已迅速成為產(chǎn)品設(shè)計師和工程師首選的衍生式設(shè)計解決方案，通過根據(jù)制造約束、成本和需求同時生成多個解決方案，實現(xiàn)快速設(shè)計探索，滿足產(chǎn)品性能要求。

Fusion 360的衍生式設(shè)計工具可根據(jù)定義的規(guī)范提供制造結(jié)果，以實現(xiàn)減輕重量、改善性能和整合零件的目標(biāo)。此外，它還提供模擬工具，用于評估現(xiàn)實應(yīng)用場景并降低原型制作成本。

2022年，Autodesk發(fā)布了Fusion 360中全新的衍生式設(shè)計工具的預(yù)覽版，能夠讓你在工作流程的早期階段探索備選設(shè)計。自動建模工具使你能夠快速創(chuàng)建和考慮多個設(shè)計備選方案，以連接設(shè)計中的兩個或多個面。這些新工具旨在提高用戶在早期設(shè)計過程中的創(chuàng)造力和生產(chǎn)力。

Ansys Discovery

Discovery是Ansys推出的一款功能強大的軟件，具備仿真驅(qū)動設(shè)計功能。該軟件非常適用于需要除設(shè)計外，還需要具備氣流、流體流動或熱管理等功能的電機、硬件和機械零件等的衍生式設(shè)計。Discovery將即時物理模擬和交互式幾何建模融合于單一平臺。

通過改變設(shè)計約束、負載條件和允許區(qū)域，Discovery可以生成可轉(zhuǎn)換為用于增材制造的CAD準(zhǔn)備模型的設(shè)計。工程師能夠在短時間內(nèi)探索各種幾何形狀、材料和物理輸入，以獲得產(chǎn)品的最佳拓撲結(jié)構(gòu)。

Discovery能夠在設(shè)計過程的早期階段解決關(guān)鍵的設(shè)計問題。這種前期仿真方法可以節(jié)省原型設(shè)計的時間和精力，因為你可以實時探索多個設(shè)計概念，而無需等待仿真結(jié)果的反饋。

CATIA

CATIA是一套用于計算機輔助設(shè)計、制造、工程、3D建模和產(chǎn)品生命周期管理的多平臺軟件套件。在這個強大的平臺中，包含了生成設(shè)計工程（Generative Design Engineering，GDE）功能。GDE將生成式設(shè)計定義為一種使用AI軟件和云計算生成優(yōu)化3D模型的迭代工程過程。

與自動生成設(shè)計備選方案的選項不同，GDE提供了一種多步驟、多部門的方法來設(shè)定邊界條件。它針對大型汽車制造商等組織，這些組織中工程和設(shè)計是一個多學(xué)科過程，設(shè)計師可能沒有優(yōu)化組件材料或制造方法方面的專業(yè)知識。

該工具使非專業(yè)設(shè)計人員能夠根據(jù)功能規(guī)范自動生成優(yōu)化的概念部件。從基本形狀模型開始，驗證其整體功能，然后提供功能規(guī)格，例如材料、空間、負載、減重目標(biāo)和制造工藝。

Creo

Creo軟件將生成式設(shè)計定義為一種利用人工智能根據(jù)一組系統(tǒng)設(shè)計要求自主創(chuàng)建最佳設(shè)計的3D CAD功能。在Creo的傳統(tǒng)CAD軟件中，這一擴展被稱為生成式設(shè)計擴展 (GDX) ?；谠频腉DX擴展允許同時創(chuàng)建多個項目，使用不同的材料和生產(chǎn)場景。它突出顯示最佳選項，使用戶更輕松地審查和評估設(shè)計。

在Creo的設(shè)計環(huán)境中，該軟件能夠生成高質(zhì)量、低成本和可制造的設(shè)計，而且比競爭對手的時間更短。Creo的生成式設(shè)計擴展已完全集成到CAD/PLM/模擬環(huán)境中。其他軟件解決方案需要導(dǎo)入和導(dǎo)出載荷工況和幾何形狀。而PTC將解決方案完全集成到Creo中，成為從概念到模擬再到生產(chǎn)的設(shè)計工作流程的無縫組成部分。

NX

西門子開發(fā)的NX軟件適用于各種制造應(yīng)用，包括增材制造、CNC加工、機器人技術(shù)和質(zhì)量控制。西門子還提供Simcenter HEEDS，這是一種生成式設(shè)計解決方案，可以將NX CAD幾何與Simcenter CAE仿真無縫集成，以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的創(chuàng)建。

然后可以通過3D打印實現(xiàn)這些優(yōu)化的設(shè)計選項。NX軟件包括一系列用于高效構(gòu)建準(zhǔn)備的工具，如支撐結(jié)構(gòu)生成以及有效的零件放置和對齊。此外，NX促進零件仿真，并與多種打印技術(shù)無縫連接，包括粉末床、FDM、多材料和多軸系統(tǒng)。

在給定工程師定義的一組約束下，該技術(shù)會自動生成許多替代設(shè)計。借助NX，可以獲取掃描數(shù)據(jù)或拓撲優(yōu)化結(jié)果，并在單一環(huán)境中與傳統(tǒng)CAD模型直接進行修改。這套全面的功能使制造商能夠簡化流程，實現(xiàn)最佳設(shè)計成果，并利用增材制造的優(yōu)勢。

OptiStruct

OptiStruct由Altair開發(fā)，是一種基于結(jié)構(gòu)分析的優(yōu)化解決方案。OptiStruct擁有超過二十年的歷史，是一種結(jié)合了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化的軟件解決方案，可以優(yōu)化設(shè)計的零件。它為線性和非線性分析提供支持，考慮力和位移之間的關(guān)系，無論它們是線性的還是非線性的。非線性關(guān)系可能源于獨特的零件幾何形狀、材料特性或接觸相互作用。

雖然OptiStruct以其拓撲優(yōu)化功能而聞名，但它提供的遠不止于此。該軟件提供了各種其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和廣泛解決方案，可以根據(jù)基本制造約束量身定制。它適用于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝、復(fù)合材料和增材制造，確保為設(shè)計師和工程師提供一套全面的工具，以實現(xiàn)最佳設(shè)計方案。


CogniCAD

CogniCAD是由ParaMatters開發(fā)的基于云的平臺，ParaMatters是增材制造衍生式設(shè)計軟件的領(lǐng)先供應(yīng)商，去年被Carbon收購。該軟件包括衍生式設(shè)計、拓撲優(yōu)化、零件整合和輕量化軟件解決方案，以幫助用戶自動生成可直接用于3D打印的輕量化結(jié)構(gòu)，適用于航空航天、汽車和其他應(yīng)用。

與nTop或CATIA的生成式設(shè)計工程不同，CogniCAD是一種基于專有拓撲優(yōu)化、高分辨率有限元分析和計算幾何的全自動工作流程，無需手動調(diào)整或重建。如果您的零件非常獨特且具有一組自定義約束，這可能不是最佳解決方案，但如果您希望優(yōu)化一個通用零件（例如支架），那么預(yù)設(shè)工具可能是最好的選擇。

該軟件利用一系列衍生式設(shè)計工具，生成具有增強機械性能的輕量化零件，有效減少后處理要求?？傊?，CogniCAD為用戶提供全面高效的衍生式設(shè)計、仿真和制造解決方案，提供優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計，并在整個過程中顯著節(jié)省時間。

MSC

由瑞典公司Hexagon開發(fā)的MSC軟件擁有Apex Generative Design模塊，可生產(chǎn)重量輕、易于制造但堅固的部件，可以直接發(fā)送到3D打印機。在這個模塊中，設(shè)計者只需要指定邊界條件和設(shè)計目標(biāo)。這些設(shè)計考慮了增材制造的限制，并創(chuàng)建了只有增材工藝才能制造的詳細且高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

這些優(yōu)化的設(shè)計具有不同結(jié)構(gòu)元素之間的平滑過渡，并包含自支撐結(jié)構(gòu)，從而在打印過程中無需額外的支撐材料。與依賴密度場的傳統(tǒng)方法不同，MSC Apex衍生式模塊使用精心生成的網(wǎng)格和定義明確的元素。這種獨特的方法使算法能夠直接評估壓力因素并生成超越傳統(tǒng)人類想象的幾何圖形。

衍生式設(shè)計的發(fā)展過程中，將融合人工智能、虛擬現(xiàn)實、3D打印、機器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，將設(shè)計過程變得更加智能，讓設(shè)計的門檻進一步降低。隨著新興技術(shù)的不斷演進，相信衍生式設(shè)計將繼續(xù)推動設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展，并為未來的設(shè)計帶來更多驚喜和突破。

你無需了解如何進行設(shè)計，只需要明確自己的需求，并告知軟件相關(guān)限制條件，它將為你提供所需的解決方案，這就是衍生式設(shè)計所做的事情。

衍生式設(shè)計（Generative Design），又稱為"生成式設(shè)計"，是一項人工智能技術(shù)，能夠顯著改善產(chǎn)品性能、提高工作效率并降低成本。它通過一系列規(guī)則或算法，將需求和限制條件轉(zhuǎn)化為自動化設(shè)計的解決方案。利用計算機的處理能力和優(yōu)化算法，衍生式設(shè)計能夠為用戶提供符合要求的最佳設(shè)計方案。

衍生式設(shè)計可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域，包括：

• 消費產(chǎn)品
• 汽車零件
• 航空航天
• 工業(yè)機械
• 建筑產(chǎn)品
• 醫(yī)療產(chǎn)品
  

傳統(tǒng)的3D設(shè)計軟件主要依靠參數(shù)驅(qū)動、約束來完成模型設(shè)計。然而，衍生式設(shè)計采用了完全不同的思路。用戶輸入的參數(shù)并非具體的尺寸，而是目標(biāo)產(chǎn)品的性能、空間要求、材料、重量、制造方法和成本等參數(shù)，通過這些參數(shù)生成最終的3D模型。

此外，衍生式設(shè)計與拓撲優(yōu)化有著明顯的區(qū)別，盡管它們很容易被混淆。拓撲優(yōu)化的作用是在工程師完成某一設(shè)計之后，從原始解決方案中去除材料，進行優(yōu)化改進。而衍生式設(shè)計則不需要一個原始解決方案，而是根據(jù)你提的要求給出全新的解決方案。

為了讓大家更好地了解當(dāng)前可用的各種衍生式設(shè)計工具，我們編制了一份非常詳細的軟件清單。該清單包括獨立的衍生式設(shè)計軟件，以及其他軟件中包含的衍生式設(shè)計擴展模塊。

NTop

nTop（前身為nTopology）是一款面向增材制造的高效設(shè)計平臺，它使你能夠根據(jù)特定要求創(chuàng)建自己的生成算法。該公司旨在為用戶提供具備必要控制級別的工具，以便你能夠更快、更高效地進行迭代。生成式設(shè)計包含三個核心組成部分：幾何圖形生成、基于約束和要求的設(shè)計優(yōu)化，以及自動化設(shè)計循環(huán)。

nTop建立在獨特的隱式建模引擎之上。在隱式建模中，3D幾何被定義為數(shù)學(xué)函數(shù)，而不是外部表面和邊緣。這使得工程師能夠快速生成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如晶格或厚度可變的殼體，并同時提供了所需的可靠性，以支持自動化設(shè)計循環(huán)。

最后，該軟件具備設(shè)計自動化功能，使工程師能夠構(gòu)建可重復(fù)使用的流程。當(dāng)輸入變量發(fā)生變化時，這些流程將自動重新運行。這樣，你可以快速進行迭代，并自動生成多個候選設(shè)計，并根據(jù)工程要求進行評估。

Fusion 360

Fusion 360是由Autodesk開發(fā)的基于云的3D建模軟件，將CAD、CAM和CAE工具整合到一個統(tǒng)一的平臺中。Autodesk的生成設(shè)計技術(shù)是Fusion 360軟件的可選擴展，已迅速成為產(chǎn)品設(shè)計師和工程師首選的衍生式設(shè)計解決方案，通過根據(jù)制造約束、成本和需求同時生成多個解決方案，實現(xiàn)快速設(shè)計探索，滿足產(chǎn)品性能要求。

Fusion 360的衍生式設(shè)計工具可根據(jù)定義的規(guī)范提供制造結(jié)果，以實現(xiàn)減輕重量、改善性能和整合零件的目標(biāo)。此外，它還提供模擬工具，用于評估現(xiàn)實應(yīng)用場景并降低原型制作成本。

2022年，Autodesk發(fā)布了Fusion 360中全新的衍生式設(shè)計工具的預(yù)覽版，能夠讓你在工作流程的早期階段探索備選設(shè)計。自動建模工具使你能夠快速創(chuàng)建和考慮多個設(shè)計備選方案，以連接設(shè)計中的兩個或多個面。這些新工具旨在提高用戶在早期設(shè)計過程中的創(chuàng)造力和生產(chǎn)力。

Ansys Discovery

Discovery是Ansys推出的一款功能強大的軟件，具備仿真驅(qū)動設(shè)計功能。該軟件非常適用于需要除設(shè)計外，還需要具備氣流、流體流動或熱管理等功能的電機、硬件和機械零件等的衍生式設(shè)計。Discovery將即時物理模擬和交互式幾何建模融合于單一平臺。

通過改變設(shè)計約束、負載條件和允許區(qū)域，Discovery可以生成可轉(zhuǎn)換為用于增材制造的CAD準(zhǔn)備模型的設(shè)計。工程師能夠在短時間內(nèi)探索各種幾何形狀、材料和物理輸入，以獲得產(chǎn)品的最佳拓撲結(jié)構(gòu)。

Discovery能夠在設(shè)計過程的早期階段解決關(guān)鍵的設(shè)計問題。這種前期仿真方法可以節(jié)省原型設(shè)計的時間和精力，因為你可以實時探索多個設(shè)計概念，而無需等待仿真結(jié)果的反饋。

CATIA

CATIA是一套用于計算機輔助設(shè)計、制造、工程、3D建模和產(chǎn)品生命周期管理的多平臺軟件套件。在這個強大的平臺中，包含了生成設(shè)計工程（Generative Design Engineering，GDE）功能。GDE將生成式設(shè)計定義為一種使用AI軟件和云計算生成優(yōu)化3D模型的迭代工程過程。

與自動生成設(shè)計備選方案的選項不同，GDE提供了一種多步驟、多部門的方法來設(shè)定邊界條件。它針對大型汽車制造商等組織，這些組織中工程和設(shè)計是一個多學(xué)科過程，設(shè)計師可能沒有優(yōu)化組件材料或制造方法方面的專業(yè)知識。

該工具使非專業(yè)設(shè)計人員能夠根據(jù)功能規(guī)范自動生成優(yōu)化的概念部件。從基本形狀模型開始，驗證其整體功能，然后提供功能規(guī)格，例如材料、空間、負載、減重目標(biāo)和制造工藝。

Creo

Creo軟件將生成式設(shè)計定義為一種利用人工智能根據(jù)一組系統(tǒng)設(shè)計要求自主創(chuàng)建最佳設(shè)計的3D CAD功能。在Creo的傳統(tǒng)CAD軟件中，這一擴展被稱為生成式設(shè)計擴展 (GDX) ?；谠频腉DX擴展允許同時創(chuàng)建多個項目，使用不同的材料和生產(chǎn)場景。它突出顯示最佳選項，使用戶更輕松地審查和評估設(shè)計。

在Creo的設(shè)計環(huán)境中，該軟件能夠生成高質(zhì)量、低成本和可制造的設(shè)計，而且比競爭對手的時間更短。Creo的生成式設(shè)計擴展已完全集成到CAD/PLM/模擬環(huán)境中。其他軟件解決方案需要導(dǎo)入和導(dǎo)出載荷工況和幾何形狀。而PTC將解決方案完全集成到Creo中，成為從概念到模擬再到生產(chǎn)的設(shè)計工作流程的無縫組成部分。

NX

西門子開發(fā)的NX軟件適用于各種制造應(yīng)用，包括增材制造、CNC加工、機器人技術(shù)和質(zhì)量控制。西門子還提供Simcenter HEEDS，這是一種生成式設(shè)計解決方案，可以將NX CAD幾何與Simcenter CAE仿真無縫集成，以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的創(chuàng)建。

然后可以通過3D打印實現(xiàn)這些優(yōu)化的設(shè)計選項。NX軟件包括一系列用于高效構(gòu)建準(zhǔn)備的工具，如支撐結(jié)構(gòu)生成以及有效的零件放置和對齊。此外，NX促進零件仿真，并與多種打印技術(shù)無縫連接，包括粉末床、FDM、多材料和多軸系統(tǒng)。

在給定工程師定義的一組約束下，該技術(shù)會自動生成許多替代設(shè)計。借助NX，可以獲取掃描數(shù)據(jù)或拓撲優(yōu)化結(jié)果，并在單一環(huán)境中與傳統(tǒng)CAD模型直接進行修改。這套全面的功能使制造商能夠簡化流程，實現(xiàn)最佳設(shè)計成果，并利用增材制造的優(yōu)勢。

OptiStruct

OptiStruct由Altair開發(fā)，是一種基于結(jié)構(gòu)分析的優(yōu)化解決方案。OptiStruct擁有超過二十年的歷史，是一種結(jié)合了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化的軟件解決方案，可以優(yōu)化設(shè)計的零件。它為線性和非線性分析提供支持，考慮力和位移之間的關(guān)系，無論它們是線性的還是非線性的。非線性關(guān)系可能源于獨特的零件幾何形狀、材料特性或接觸相互作用。

雖然OptiStruct以其拓撲優(yōu)化功能而聞名，但它提供的遠不止于此。該軟件提供了各種其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和廣泛解決方案，可以根據(jù)基本制造約束量身定制。它適用于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝、復(fù)合材料和增材制造，確保為設(shè)計師和工程師提供一套全面的工具，以實現(xiàn)最佳設(shè)計方案。


CogniCAD

CogniCAD是由ParaMatters開發(fā)的基于云的平臺，ParaMatters是增材制造衍生式設(shè)計軟件的領(lǐng)先供應(yīng)商，去年被Carbon收購。該軟件包括衍生式設(shè)計、拓撲優(yōu)化、零件整合和輕量化軟件解決方案，以幫助用戶自動生成可直接用于3D打印的輕量化結(jié)構(gòu)，適用于航空航天、汽車和其他應(yīng)用。

與nTop或CATIA的生成式設(shè)計工程不同，CogniCAD是一種基于專有拓撲優(yōu)化、高分辨率有限元分析和計算幾何的全自動工作流程，無需手動調(diào)整或重建。如果您的零件非常獨特且具有一組自定義約束，這可能不是最佳解決方案，但如果您希望優(yōu)化一個通用零件（例如支架），那么預(yù)設(shè)工具可能是最好的選擇。

該軟件利用一系列衍生式設(shè)計工具，生成具有增強機械性能的輕量化零件，有效減少后處理要求?？傊?，CogniCAD為用戶提供全面高效的衍生式設(shè)計、仿真和制造解決方案，提供優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計，并在整個過程中顯著節(jié)省時間。

MSC

由瑞典公司Hexagon開發(fā)的MSC軟件擁有Apex Generative Design模塊，可生產(chǎn)重量輕、易于制造但堅固的部件，可以直接發(fā)送到3D打印機。在這個模塊中，設(shè)計者只需要指定邊界條件和設(shè)計目標(biāo)。這些設(shè)計考慮了增材制造的限制，并創(chuàng)建了只有增材工藝才能制造的詳細且高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

這些優(yōu)化的設(shè)計具有不同結(jié)構(gòu)元素之間的平滑過渡，并包含自支撐結(jié)構(gòu)，從而在打印過程中無需額外的支撐材料。與依賴密度場的傳統(tǒng)方法不同，MSC Apex衍生式模塊使用精心生成的網(wǎng)格和定義明確的元素。這種獨特的方法使算法能夠直接評估壓力因素并生成超越傳統(tǒng)人類想象的幾何圖形。

衍生式設(shè)計的發(fā)展過程中，將融合人工智能、虛擬現(xiàn)實、3D打印、機器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，將設(shè)計過程變得更加智能，讓設(shè)計的門檻進一步降低。隨著新興技術(shù)的不斷演進，相信衍生式設(shè)計將繼續(xù)推動設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展，并為未來的設(shè)計帶來更多驚喜和突破。