CAD 工程师应用 solidThinking 优化产品设计

      摘要： CAE 拓扑优化发展至今已相当成熟，但使用 CAE 软件需要有足够的理论知识，故企业必须聘请专门之CAE工程师应用CAE软件，使得CAE拓扑优化应用无法更加普及；Altair HyperWorks为CAE行业中之最佳软件，将其 OptiStruct优化功能加入 solidThinking Inspire 中，发展成为简单易用之优化软件，用户不需要任何 CAE 背景知识，只需对自家产品设计有一定的了解，即可透过 solidThinking Inspire 进行产品之结构优化设计；再者 solidThinking Evolve 具备实时渲染彩现功能， CAD 工程师完成产品机构设计后，可立即进行产品渲染提案，具体表现产品制作完成后之外观样貌。本文以龙门机床整机拓扑优化为例，说明 CAD 工程师如何透过 solidThinking Inspire 进行整机结构优化配置，并以 CAE 分析验证其优化结果；再以焊接机外观美学设计为例，说明 CAD 工程师如何 以 solidThinking Evolve 进行产品外观彩现提案，让 CAD 工程师充分利用 solidThinking 于产品设计流程中。

     关键词：拓扑优化 渲染彩现 龙门机床 焊接机 CAD 工程师

     1 概述 

     CAE 拓扑优化目前已普遍应用于航空、航天、汽车等产业机械，综观目前市售 CAE 软件虽发展方向越来越趋向简单易用，但仍需要具备一定CAE知识的CAE工程师才可以发挥 CAE 拓扑优化的强大功能，且受限于CAD到CAE设计流程，CAE 拓扑优化无法在CAD设计时完全发挥功效，然而并非所有企业都具备专业之CAE工程师，以致于CAD工程师需要兼任CAE分析验证工作， solidThining Inspire 应用 Altair OptiStruct 求解器，让CAE拓扑优化更加简单易用，CAD 工程师可以在 CAD 设计前期使用solidThinking Inspire快速得到结构最佳配置，【图一】说明 CAD 工程师应用solidThinking Inspire之设计流程，于 CAD 软件中定义产品结构设计空间，再导入solidThinking Inspire进行拓扑优化取得结节最佳配置后，以 CAD 软件绘制结构图面，并配合CAE软件进行结构强度验证。

                                                                 图一 solidThinking Inspire 之优化设计流程

     2 solidThinking Inspire 于龙门机床整机之拓扑优化 

     solidThinking Inspire 已普遍应用于台湾之机床产业，龙门机床为大型机械产品加工必要之设备，应用涵盖汽车、铁路、航天、造船、能源及石化设备等。以下说明CAD工程师如何透过solidThinking Inspire来进行龙门机床整机拓扑优化设计：

     2.1 定义优化设计空间 

     如图二所示，CAD 工程师于 CAD 软件中定义龙门机床五大部件之优化设计空间，分别为头座、 鞍座、横梁及二立柱；

                                                                 图二 CAD 工程师于 CAD 软件中定义优化设计空间 

     2.2 定义受力边界条件

     如图三所示，输入 solidThinking Inspire 定义受力边界条件，包括： 

     (1)立柱底部前端二平面拘束 XY 方向自由度， 

     (2)立柱底部后端二平面拘束 XYZ 方向自由度， 

     (3)建立头部三方向切削力；

                                                                 图三 输入 solidThinking Inspire 定义受力边界条件 

     2.3 定义制造约束条件

     如图四所示，于 solidThinking Inspire 中定义各个部件之制造约束条件，分别为头座、横梁、立柱之 X 方向挤制约束及鞍座 YZ 平面之对称约束，进行拓扑优化之目标定义；

                                                                                图四 约束条件

     2.4 定义拓扑优化目标 

     如图五所示，于 solidThinking Inspire 中定义拓扑优化目标为最大频率下之最大刚性结构，材料使用量为 30%，厚度控制于 15mm 以下，进行拓扑优化计算，计算时间约 5 小时；

                                                                 图五 于 solidThinking Inspire 定义拓扑优化目标

     2.5 定义拓扑优化目标 

     如图六所示，于 solidThinking Inspire 得到结构最佳配置，CAD 工程师按照此结构最佳配置于 CAD 软件中进行结构图面绘制；

                                                                 图六 于 solidThinking Inspire 得到结构最佳配置

     3 solidThinking Inspire 之优化结果验证 

     如图七所示，五轴加工头座原始设计之重量为 221kg，在受切削力 5400N 下之最大变形量为 12.63um；利用 solidThinking Inspire 进行拓扑优化计算得到结构最佳配置后进行 CAE 验证，优化后之结构重量为 202kg，最大变形量为 12.58um，有效减轻重量并提高刚性，达到质轻高刚性之设计需求。

                                                                 图七于 solidThinking Inspire 得到结构最佳配置

     4 solidThinking Evolve 于焊接机之外观渲染彩现提案 

     如图八所示，焊接机之主要功用为承载加工件进行焊接工序，其主要结构由钣金焊接组成，焊 接机的原始外观与其他竞争对手雷同，无市场区隔性，CAD 工程师利用有限元软件进行承载力之优 化得到各钣金之最佳组合，以便提升产品之刚性承载力，为打造具备市场特色之产品外观，进行产 品外观美学设计，以快艇为设计意象，透过 solidThinking Evolve 进行渲染彩现提案，快速定义高价 值且符合原创品牌精神之产品外观，侵入市场并增加市场销售量。

                                                                  图八 焊接机原始外型 / 结构强度分析 / 美学设计外型

     5 总结 CAD 

     工程师作为各个产业研发设计之关键人员，集结了各项产品设计的关键 know-how， solidThinking 结合了 Altair OptiStruct 关键之拓扑优化及实时渲染彩现功能，发展为简单易用之 Inspire 及 Evolve，协助 CAD 工程师进行产品结构优化配置及外观渲染提案，更直接地提升 CAD 工程师的能力展现，为企业之产品设计注入更大的研发能量，提升企业竞争力。 

     6 参考文献 

     [1] solidThinking User’s Manual 

     [2] HyperWorks User’s Manual 

     [3] Dechnology 2013 机械美学设计竞赛作品

 

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