基于 solidThinking Inspire 的旋转推杆轻量化设计

技术支持 2019年11月19日浏览：2063

摘要：借助solidThinkingInspire软件对某旋转推杆进行轻量化结构设计，并采用HyperWorks 的相关软件进行静强度计算分析。分析结果表明，利用CAE软件在满足结构静强度的基础上能够方便快捷、有效的实现轻量化设计。

关键词：solidThinking Inspire 轻量化 HyperWorks 静强度

1概述

轻量化的概念最先起源于赛车运动，它的优点是显而易见的，通过减轻重量来获得更好的操控性，使发动机输出的动力能够产生更高的加速度。由于车辆轻，起步时加速性能更好，刹车时的制动距离更短。随着科技进步、社会发展，“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也就广泛应用到各个领域。轻量化的措施有新材料的应用以及在满足产品使用性能的前提下对产品进行结构优化设计等。solidThinking Inspire是利用了工程上“拓扑优化”的技术，模拟了自然界中生物生长的过程，最终获得材料最省的最佳承力结构。HyperWorks[1]完整的CAE建模、可视化、有限元分析、结构优化和过程自动化等领域的软件产品始终站在技术的前言，为全球客户提供了先进的产品工程方案。本次轻量化设计采用solidThinking Inspire软件进行结构优化，然后采用HyperWorks的相关软件进行计算分析。

2结构设计

2.1旋转推杆结构原始设计空间

根据旋转推杆的使用要求建立原始设计模型，定义推杆中间长梁为设计空间，如图2-1所示。为施加载荷约定模型的坐标系，其载荷为20KN的静力施加在与Y轴成60°角的销轴上，约束施加在轴孔的键槽处，如图2-2所示。

图2-1原始设计空间

图2-2坐标系约定图

2.2材料与属性

计算中所使用的的材料参数如下：Q345的材料参数：弹性模量：210GPa、材料密度：7.9e+3kg/m^3、泊松比：0.3、屈服强度：345MPa

2.3优化模型

在solidThinking Inspire软件中，通过控制优化体积的参数设置以求达到减轻重量的目的，其优化后的模型如图2-3所示。

图2-3优化模型

2.4创意设计模型

根据优化设计模型对该推杆进行结构改进，使产品的结构更加美观，并且能够满足产品的使用要求，其改进设计结果如图2-4所示。

图2-4创意设计模型

3有限元分析

3.1网格划分

根据模型结构采用实体单元对原始设计模型以及改进后的创意模型进行网格划分。计算过程中所使用的距离单位mm（毫米）、质量单位t（吨），应力单位MPa（兆帕）。鉴于模型的结构特点两个模型均采用四面体单元，详细网格信息见表3.1，有限元模型见图3-1、图3-2。

表3.1详细网格信息

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图3-1原始设计有限元模型

图3-2创意设计有限元模型

3.2静强度计算结果

结构静强度设计的基本原则是：结构应确保承受各种运用载荷时具有必要的承载能力。一般规范采用的静强度要求为构件产生的静应力不大于材料的许用应力，确定许用应力时通常以屈服极限为基准，使结构变形处于弹性范围之内，其强度可靠性则通过安全系数予以保障[2]。根据本结构的使用要求以及材料特性选取安全系数为3.5。通过有限元软件计算得到两种模型的结果见表3.2。结果应力云图分别见图3-3，图3-4。根据表3.2可以看出改进后的结构在质量上减轻了37.8Kg，在最大应力上虽略有增加但仍能满足许用应力要求。

表3.2静强度计算结果

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