solidThinking 在自行车车架设计中的应用

      摘 要：目前，针对大型工业产品的优化设计已经逐渐被结构工程师接受，然而许多生活类产品却仅仅凭借经验设计，例如生活中常见的自行车。本文应用 Altair 公司的 solidThinking  Inspire 软件，在概念设计阶段应用拓扑优化技术，找到新型双人自行车的最佳拓扑路径， 从而指导产品造型设计。同时，应用 solidThinking Evolve 对设计出的结果进行了快速渲染， 得到了一个令人耳目一新的设计。  

     关键词：solidThinking Inspire Evolve 拓扑优化 自行车

     1 概述  

     在大型工业零件的设计中，优化技术已经逐渐被结构工程师所接受，然而在家用生活产品中却鲜有应用。这是这些产品造价低成本小，对结构可靠性要求不高。设计师身兼造型、 结构甚至工艺等多个职责，概念设计时就凭借经验将结构基本定型，有很大的局限性。 

     在全球化竞争日趋激烈的今天，智能电子产品对结构的要求越来越高，因此对结构设计也提出了更高的要求。例如高端智能手机都已经进行跌落试验以保证在恶劣工况下内部芯片不会受到致命的损伤。而优化技术经过几十年的发展，门槛变得越来越低，Altair 作为优化设计的领导者，推出了 solidThinking Inspire 软件，该软件几乎可以使毫无优化基础的造型设计师方便的使用拓扑优化技术[1]，从而在概念设计阶段找到最优拓扑结构，综合实用性及美学特点得到一个成功的工业设计产品。

     2 设计思路  

     众所周知，自行车经过近百年的发展已经趋于完美，然而结合优化技术后得到的最优结构又是什么样子呢？本文站在一个造型设计师的角度上，从无到有，利用拓扑优化技术寻找双人自行车最佳的结构拓扑路径，并结合实用性和工艺性特点，设计出一个美观大方新型自行车。 

     目前，传统的自行车只是个人代步工具，只能乘坐一人，如果后座载人又会增加骑车人的负担，有一定的安全隐患。于是双人自行车应运而生，然而目前双人自行车虽然原则上可以单人骑行，但是对于单人由于车长增加，太过笨重，限制了其大范围推广。于是，开发一 种新型自行车就成为大势所趋。  

     自行车因其私密性往往不会出现与陌生人共用一辆的情况，如果在保持单人自行车原长度不变的情况下，将驾驶人座椅和乘客座椅连成一体，同时后轴增加乘客踏板，那么既能减轻驾驶人的负担又增加了骑行的乐趣。根据这个思路，利用 Inspire 提供的拓扑优化技术在 有限的车长空间内找到最符合力学结构的管梁，在不增加传统自行车的重量的基础上，使其高效发挥代步作用。

     3 应用 Inspire 的优化设计  

     3.1 几何模型  

     参照目前自行车的尺寸，确定该新型自行车的车轮、车把、车座以及脚踏板的位置，在 CAD 软件中建立这些部分的几何模型。这些部分是自行车的必备零件，可供优化的空间不大，故将其作为非设计空间参与计算，如图 3-1 所示。

                                                                                        图 3-1 非设计空间几何模型  

     由于双链条动力部分结构复杂，且与造型设计无关，故本文不再赘述，也不显示在几何模型中。根据传统自行车车架可能分布的位置，两轮中间建立设计空间作为拓扑优化求解的空间位置，如图 3-2 所示。

                                                                                       图 3-2 设计空间几何模型  

     将上面两个几何模型都导入 Inspire 中，定义设计空间与非设计空间，如图 3-3 所示， 紫红色部分为定义好的设计空间。由于自行车车架本身是左右对称的，为了得到更好的优化结果，给设计空间施加左右对称约束。

                                                                                       图 3-3 Inspire 中划分好的几何模型

     3.2 边界条件  

     对自行车行驶工况的边界条件分析需要几个前提：  

     1. 在概念设计阶段只考虑自行车所受到的静载荷，不考虑动载荷；  

     2. 自行车所受外力只有自身重量和乘员重量，本文以两个成年男性为例，采用汽车中采用的每名乘员 75kg 的标准；  

     3. 手动调整载荷方向使之符合大多数人的身高及骑行姿势；  

     4. 不考虑轮胎的压缩，仅将前后两个车轴中心全约束。  

     按照驾驶人骑车的姿势可以设置低速滑行和匀速蹬踏两个工况。在低速滑行阶段，驾驶人重心大部分处于车座上，双脚自由放置在踏板上，轻握车把；而在匀速蹬踏阶段，驾驶人重心前倾，腿部和手部用力蹬踏。根据骑车人的不同姿势，可以大致将两个乘员的重量分配到各个受力部分。自行车受到的总乘员载荷 150kg，合计 1470N。  

     两个工况的具体载荷参数如表 2-1 所示。 

     约束和载荷在 Inspire 中是用红色的小圆锥和小箭头表示的，如图 3-4 所示。值得一提 的是，在 Inspire 中重力的施加是自动完成的，只需在求解时选择重力的方向即可。

                                                                                       图 3-4 载荷施加位置 

     3.3 求解过程  

     Inspire 中的建立求解的过程非常简单，只需要在求解页面中提交几个简单的参数即可。 值得注意是软件中的求解器是 HyperMsh 软件包中的 OptiStruct 专业级优化求解器，可以最大程度上保证求解精度，无需担心结果的可靠性。

     该求解器在 Inspire 中采用变密度法的优化方法，以设计域单元密度作为设计变量，全局质量分数和结构应变能（柔度）作为结构响应，质量分数作为约束条件，目标函数为最小结构应变能 [2]。然而作为设计师无需了解这些复杂的方法，仅需要选择质量约束就可以完成整个分析。当然，软件也提供了最小尺寸，振动目标等参数供高级设计师使用[3]。

     3.4 计算结果  

     提交计算后，可以得到的最终结果。为了得到较好的结果，可以尝试更改不同的质量约束或最小尺寸等参数，多次计算后选择最好的结果如图 3-5 所示。

                                                                                       图 3-5 优化结果  

     首先，通过计算结果我们可以发现，与传统自行车相比，通过优化技术设计出的车架同样呈倒三角形结构，这说明目前的自行车车架基本符合其工况力学特点。第二，由于座椅承 担载荷两个乘员的大部分重量，所以在其底部呈现了一定的材料堆积，这说明在车架后部时应该增加梁的截面积或者增加梁的数量。第三，连接前后轮的主梁并没有与传统自行车的转向柱相连，这将会导致转向困难，在具体设计时应该考虑转向要求。

     将最终的结果通过 stl 文件导出到 CAD 软件中进行重新设计，根据计算出的最优拓扑路径，考虑自行车车架制造工艺，采用圆截面钢管进行搭建，如图 3-6 所示。

                                                                                       图 3-6 重建的几何模型  

     在这个设计中，出于成本控制的考虑，将所有梁设计为统一规格型号。在后部车座底部设置四个粗壮圆梁用来支撑乘员的重量。将常见的转向柱设置到车架主梁上，这样既符合最优拓扑路径，又带来了新的驾驶体验。  

     值得注意的是，solidThinking 软件包中的另一款 Evolve 可以和 Inspire 无缝集成，直接将优化结果导入到 Evolve 中进行造型设计。本文的造型设计较为简单，故直接在原 CAD 软件中设计即可。

     4 应用 Evolve 的渲染  

     在工业产品的设计中，如果为了得到更好的显示效果，需要对模型进行真实材料光照等渲染效果图。本文将重建后的几何模型导入到 solidThinking Evolve 中进行渲染，如图 4-1 所示。

                                                                                       图 4-1 Evolve 中的渲染设置  

     与常见的造型软件类似，Evolve 除了提供了四个窗口、三种角度视图和三维视图以外， 其还有一个简单高效的渲染引擎，能够在默认的效果下生成很多惊艳的效果。例如将上面的几何模型赋予一部分材质后直接渲染得到的效果如图 4-2 所示。

                                                                                       图 4-2 Evolve 中的默认渲染效果

     5 结论  

     本文采用 solidThinking 软件，利用优化技术从无到有设计出了一辆双人自行车的车架， 并且在较短的时间内完成了对新设计的渲染工作，得到了令人满意的效果。在设计当中，我们可以看到，应用 solidThinking Inspire 软件，造型设计师可以在几乎没有 CAE 基础的情况下，独立完成拓扑优化工作，在概念设计阶段将造型与力学完美的结合起来。同时，对于 CAE 工程师来说，可以免去繁杂的网格划分工作，应用 solidThinking  Evolve 可以在没有任何美学基础的情况下，同样生成美观大方的渲染效果图。 

6 参考文献  

[1]solidThinking Inspire 设计工程师基础教程.pdf  

[2]HyperWorks Help Version 12.0, Altair Engineering, Inc.  

[3]solidThinking Inspire User’s Manual

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