基于 solidThinking Inspire 摩擦卷筒的优化设计

     摘要：随着计算机技术的发展，优化设计技术对机械零部件的优化具有很大的促进作用。 利用 SolidThinking 软件可以简单、快速的优化模型，并对模型进行高效的渲染环境。通过建立摩擦卷筒几何模型的导入到 Inspire 软件中对模型进行拓扑优化，使摩擦卷筒从概念设计阶段找到了设计空间的最佳拓扑路径，对模型进行造型设计，实现模型轻量化设计。为了使摩擦卷筒显示得到更好效果，把优化后模型导入到 Evolve 软件中，对设计出结果进行快速渲染，得到一个令人满意设计。对同类产品的拓扑优化设计具有 一定的理论依据和重要指导意义。 

     关键词：SolidThinking Inspire 摩擦卷筒 优化设计 轻量化      

     目前，机械零部件结构优化设计广泛的应用到有限元的分析方法，如SolidThinking Inspire、HyperWorks软件等，对机械结构进行拓扑优化等诸多的优化方法[1]。在大型工业零件的设计中，优化技术已经逐渐被设计师所接受，Altair公司推出SolidThinkingInspire 软件，该软件有利用于毫无设计经验的领导者使用拓扑优化技术优化模型[2]。摩擦卷筒是实现集运材索道跑车的起升作业的不可或缺的零部件[3]。摩擦卷筒对索道跑车的性能上起着关键作用，会直接影响到木材的生产安全、运输效率等，对摩擦卷筒的结构优化设计是非常有必要的[4]。使用SolidThinkingInspire软件对摩擦卷筒进行拓扑优化，改变了传统设计方式，快速方便的实现摩擦卷筒的结构材料的均匀分布，同时也为林业机械零部件优化设计提供有限参考。

     1应用Inspire的优化设计

     拓扑优化[5]在给定空间结构中形状优化及分布材料的一种数学方法。在给定的约束条件下，将区域离散成有限单元网络，根据每个单元计算材料特性，Optistruct优化算法更改材料的分布，以用户给定的设计目标进行优化，通过在任意连续的迭代中目标函数改变量低于给定公差时，即得到收敛结果。SolidThinking Inspire的拓扑优化，从概念设计阶段找到最后拓扑结构，综合实用性及美学特点得到一个成功的机械设计产品。在给定的设计区域把寻求结构的最优拓扑问题转化寻求最优材料分布问题。 

     1.1建立几何模型

     参照实验室中索道跑车，根据跑车的设计的图纸，在三维实体建模软件SolidWorks中建立摩擦卷筒的外围和中间的轴孔，这些部件都是摩擦卷筒的必备部分，是主要的工作部分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1所示。

                                                                       图1非设计空间几何模型 

     连接摩擦卷筒外围和中间轴孔的部分取着连接的作用，是建立设计空间作为拓扑优化求解的空间位置，如图2所示。

                                                                      图2设计空间几何模型 

     将上面两个几何模型都导入到Inspire软件中，定义设计空间和非设计孔，如图3所示，紫红色部分是定义好的设计空间，灰色为非设计空间。由于设计空间是环形对称结构，为了得到更好的优化结构，给设计空间施加三个对称约束。

                                                                      图3Inspire划分好的空间

     1.2边界条件

     摩擦卷筒作为集运材遥控跑车的一个重要的零部件，是用来缠绕和容纳钢索的，卷筒上的一端受到绞盘机的牵引，另一端带动重物。动力经传动系把扭矩传到卷筒变为卷筒上钢索的牵引力，并把发动机的旋转运动变为卷筒上钢索的直线运动，以此牵引跑车拖集、提升和运输木材。本次设计的摩擦卷筒最大牵引力为29008N，钢索型号选取为146×19NFC 1670BSZ，直径为500mm，最大转速为2.55r/s，受到最大力矩为7252000N·mm。摩擦卷筒转动是在遥控跑车起吊重物起落作业时，由钢丝绳牵引提供动力，摩擦卷筒只能绕着中心轴旋转，即摩擦卷筒受到除绕着中心轴旋转自由度外，其他方向的移动都是受到约束。在中心轴上施加固定约束，在曲面上施加载荷，如图4所示。

                                                                      图4约束、载荷施加位置

     1.3求解

     SolidThinking Inspire软件采用优化方法是变密度法，设计变量时设计域的单元密度，质量分数作为约束条件，以全局质量分数和结构应变能为结构响应，目标函数是最小结构应变能[6]。Inspire求解过程非常简单，只需在界面上提交几个参数即可，如图5所示。在求解目标设置为最大刚度，质量目标中可以设置全部设计空间体积的百分制，设置为30%；模型不涉及频率，所以设置频率约束为无；在厚度约束中，设置最小化，可以输入最小厚度，输入值约束小，计算量越大，此设计为0.02m；最后按运行，系统自动化求解。

                                                                      图5求解界面

     1.4优化结果

     设置好求解界面，提交计算后，得到最终结果。为了得到更好的结果，可以尝试改变质量目标的设计百分比或减小厚度约束中尺寸等参数，多次计算后选择最好的结果，如图6 所示。

                                                                      图6优化结果 

     由图6可知，优化后模型在设计领域中减少了原设计领域的不必要的材料，在SolidThinkingInspire软件中测量图标可以直接计算模型的质量，原有模型的质量为52.83Kg，优化后模型质量为45.54Kg，总体质量上减少了13.8%。

     2在Evolve中渲染

     优化后重新建立模型，为了更好的得到显示效果，把新的模型进行真实材料、光照等渲染，如图7所示，把重建几何模型导入到 SolidThinking Evolve中进行渲染。

                                                                      图 7 Evolve 中渲染模型

     Evolve软件除了跟一般软件类似外，还有一个简单高效渲染引擎，能够在默认的效果下生成很多惊艳的效果，优化后摩擦卷筒几何模型赋予材质后渲染得到的效果图，如图8所示。

                                                                      图8渲染效果

     3结论

     采用SolidThinking软件对摩擦卷筒进行优化设计，利用拓扑优化设计出简易的摩擦卷筒，并且能在短时间内渲染出优化后模型的环境材质等。摩擦卷筒通过SolidThinking软件，摩擦卷筒材料得到了合理的分布，减小了质量，实现轻量化设计。SolidThinking软件是从概念设计阶段将造型与力学完美的结合，可以免去设计师对模型网格的划分工作，减少设计时间。降低研发成本，提高技术水平，可以为同类产品的优化设计提供理论依据和数值参考，对实际的生产具有十分重要的知道意义。

     参考文献：

[1] 张胜兰，郑冬黎，郝琪，等．基于 HyperWorks 的结构优化设计技术[M]．机械工业出版 社，2007：1-5． 

[2] SolidThingking Inspire 设计工程师基础教练. Pdf． 

[3] 沈嵘枫．基于轻量化的运材跑车齿轮减速机构设计[J]．华中科技大学学报，2012，40(2)： 98-101． 

[4] 周新年，郑端生，沈嵘枫，等．遥控跑车的遥控液压技术研究进展[J]．福建林业科技， 2012，39(2)：190-194． 

[5] Bendsoe MP，Sigmund O．Topology optimization：theory methods and  applications[M]．Springer Verlag，2003． 

[6] HyperWorks Help Version 13.0，Altair Engineering，Inc．

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