基于solidThinkingInspire摩擦卷筒的優(yōu)化設(shè)計.pdf

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1、Altair2015技術(shù)大會論文集基于solidThinkingInspire摩擦卷筒的優(yōu)化設(shè)計Optimal Design of Friction Drum Based on solidThinkingInspire沈嶸楓張小珍 （福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州，35002）摘 要 ： 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展 ， 優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對機械零部件的優(yōu)化具有很大的促進作用 。 利用 Altair公司所提供的 SolidThinking軟件 ， 可以簡單 、 快速的優(yōu)化模型 ， 并對模型進行高效的渲染環(huán)境 。 通過建立摩擦卷筒幾何模型的導(dǎo)入到 Inspire軟件中對模型進行拓撲優(yōu)化 ， 使摩擦

2、卷筒從概念設(shè)計階段找到了設(shè)計空間的最佳拓撲路徑 ， 對模型進行造型設(shè)計 ， 實 現(xiàn)模型輕量化設(shè)計 。 為了使摩擦卷筒顯示得到更好效果 ， 把優(yōu)化后模型導(dǎo)入到 Evolve軟件中 ， 對設(shè)計出結(jié)果進行快速渲染 ， 得到一個令人滿意設(shè)計 。 對同類產(chǎn)品的拓撲優(yōu)化設(shè)計具有一定的理論依據(jù)和重要指導(dǎo)意義 。 關(guān)鍵詞 ： SolidThinking Inspire 摩擦卷筒 優(yōu)化設(shè)計 輕量化Abstract：With the development of computer technology, the optimization design technology has a great efect

3、on the optimization of mechanical parts. Using SolidThinking software provided by Altair company， we can optimize the model and make the model more eficient. Through the establishment of the model of the geometric model of the -1 - friction drum to the Inspire software to optimize the model, the fri

4、ction drum from the concept design stage to find the best topological path of the design space, the model is designed to realize the model of lightweight design. In order to get beter results, the optimized model is imported into the Evolve software, and the results are fast rendering, and a satisfa

5、ctory result is obtained。 The topology optimization design of the same kind of product has the necessary theoretical basis and the important guiding significance. Key words：SolidThinking Inspire， friction drum， optimized design， lightweight目前，機械零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計廣泛的應(yīng)用到有限元的分析方法，如SolidThinking Inspire、HyperWor

6、ks軟件等，對機械結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化等諸多的優(yōu)化方法[1]。在大型工業(yè)零件的設(shè)計中，優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)逐漸被設(shè)計師所接受，Altair公司推出SolidThinking Inspire軟件，該軟件有利用于毫無設(shè)計經(jīng)驗的領(lǐng)導(dǎo)者使用拓撲優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化模型 [2]。摩擦卷筒是實現(xiàn)集運材索道跑車的起升作業(yè)的不可或缺的零部件[3]。摩擦卷筒對索道跑車的性能上起著關(guān)鍵作用，會直接影響到木材的生產(chǎn)安全、運輸效率等，對摩擦卷筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是非常有 必要的[4]。使用SolidThinking Inspire軟件對摩擦卷筒進行拓撲優(yōu)化，改變了傳統(tǒng)設(shè)計方式，快速方便的實現(xiàn)摩擦卷筒的結(jié)構(gòu)材料的均勻分布，同時也為林業(yè)機械零部

7、件優(yōu)化設(shè)計提供有限參考。 1 應(yīng)用Inspire的優(yōu)化設(shè)計拓撲優(yōu)化[5]在給定空間結(jié)構(gòu)中形狀優(yōu)化及分布材料的一種數(shù)學(xué)方法。在給定的約束條件下，將區(qū)域離散成有限單元網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)每個單元計算材料特性，Optistruct優(yōu)化算法更改材 Altair2015技術(shù)大會論文集料的分布，以用戶給定的設(shè)計目標進行優(yōu)化，通過在任意連續(xù)的迭代中目標函數(shù)改變量低于 給定公差時，即得到收斂結(jié)果。SolidThinking Inspire的拓撲優(yōu)化，從概念設(shè)計階段找到最后拓撲結(jié)構(gòu)，綜合實用性及美學(xué)特點得到一個成功的機械設(shè)計產(chǎn)品。在給定的設(shè)計區(qū)域把尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲問題轉(zhuǎn)化尋求最優(yōu)材料分布問題。 1.1 建立幾何模型參照

8、實驗室中索道跑車，根據(jù)跑車的設(shè)計的圖紙，在三維實體建模軟件SolidWorks中參照實驗室中索道跑車，根據(jù)跑車的設(shè)計的圖紙，在三維實體建模軟件中建立摩擦卷筒的外圍和中間的軸孔，這些部件都是摩擦卷筒的必備部分，是主要的工作部分 可供優(yōu)化的空間不大，故將其作為非設(shè)計空間參與計算，如圖1所示。 圖1 非設(shè)計空間幾何模型連接摩擦卷筒外圍和中間軸孔的部分取著連接的作用，是建立設(shè)計空間作為拓撲優(yōu)化求解的空間位置，如圖2所示。 圖2 設(shè)計空間幾何模型將上面兩個幾何模型都導(dǎo)入到Inspire軟件中，定義設(shè)計空間和非設(shè)計孔，如圖3所示，紫紅色部分是定義好的設(shè)計空間，灰色為非設(shè)計空間。由于設(shè)計空間是環(huán)形對稱結(jié)構(gòu)，

9、為了 得到更好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，給設(shè)計空間施加三個對稱約束。 -2 - Altair2015技術(shù)大會論文集 圖3 Inspire 劃分好的空間1.2 邊界條件摩擦卷筒作為集運材遙控跑車的一個重要的零部件，是用來纏繞和容納鋼索的，卷筒上 的一端受到絞盤機的牽引，另一端帶動重物。動力經(jīng)傳動系把扭矩傳到卷筒變?yōu)榫硗采箱撍鞯囊欢耸艿浇g盤機的牽引，另一端帶動重物。動力經(jīng)傳動系把扭矩傳到卷筒變?yōu)榫硗采箱撍鞯臓恳?，并把發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榫硗采箱撍鞯闹本€運動，以此牽引跑車拖集、提升和運輸木材。本次設(shè)計的摩擦卷筒最大牽引力為2908N，鋼索型號選取為14 619NFC 1670B SZ，直徑為50m，最大轉(zhuǎn)速為2

10、.5r/s，受到最大力矩為725200Nm。摩擦卷筒轉(zhuǎn)動是在遙控跑車起吊重物起落作業(yè)時，由鋼絲繩牽引提供動力，摩擦卷筒只能繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，即摩擦卷筒受到除繞著中心軸旋轉(zhuǎn)自由度外，其他方向的移動都是受到約束。在 中心軸上施加固定約束，在曲面上施加載荷，如圖4所示。 -3 - 圖4 約束、載荷施加位置1.3 求解SolidThinking Inspire軟件采用優(yōu)化方法是變密度法，設(shè)計變量時設(shè)計域的單元密度， 質(zhì)量分數(shù)作為約束條件，以全局質(zhì)量分數(shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)變能為結(jié)構(gòu)響應(yīng)，目標函數(shù)是最小結(jié)構(gòu)應(yīng)變能[6]。Inspire求解過程非常簡單，只需在界面上提交幾個參數(shù)即可，如圖5所示。在求解 Altair20

11、15技術(shù)大會論文集目標設(shè)置為最大剛度，質(zhì)量目標中可以設(shè)置全部設(shè)計空間體積的百分制，設(shè)置為30%；模 型不涉及頻率，所以設(shè)置頻率約束為無；在厚度約束中，設(shè)置最小化，可以輸入最小厚度，輸入值約束小，計算量越大，此設(shè)計為0.02m；最后按運行，系統(tǒng)自動化求解。 圖5 求解界面1.4 優(yōu)化結(jié)果設(shè)置好求解界面，提交計算后，得到最終結(jié)果。為了得到更好的結(jié)果，可以嘗試改變質(zhì) 量目標的設(shè)計百分比或減小厚度約束中尺寸等參數(shù)，多次計算后選擇最好的結(jié)果，如圖6所示。 -4 - 圖6 優(yōu)化結(jié)果由圖6可知，優(yōu)化后模型在設(shè)計領(lǐng)域中減少了原設(shè)計領(lǐng)域的不必要的材料，在 Altair2015技術(shù)大會論文集 SolidThink

12、ing Inspire軟件中圖標可以直接計算模型的質(zhì)量，原有模型的質(zhì)量為52.83Kg，優(yōu)化后模型質(zhì)量為45.54Kg，總體質(zhì)量上減少了13.8%。2 在Evolve中渲染 優(yōu)化后重新建立模型，為了更好的得到顯示效果，把新的模型進行真實材料關(guān)照等渲染，如圖7所示，把重建幾何模型導(dǎo)入到SolidThinking Evolve中進行渲染。如圖所示，把重建幾何模型導(dǎo)入到中進行渲染。 圖7 Evolve中渲染模型Evolve軟件除了跟一般軟件類似外，還有一個簡單高效渲染引擎，能夠默認的效果下軟件除了跟一般軟件類似外，還有一個簡單高效渲染引擎，能夠默認的效果下生成很多驚艷的效果，優(yōu)化后摩擦卷筒幾何模型賦

13、予材質(zhì)后渲染得到的效果圖，如圖8所示。 -5 - 圖8 渲染效果3 結(jié)論 采用SolidThinking軟件對摩擦卷筒進行優(yōu)化設(shè)計，利用拓撲優(yōu)化設(shè)計出簡易的摩擦卷 Altair2015技術(shù)大會論文集筒，并且能在短時間內(nèi)渲染出優(yōu)化后模型的環(huán)境材質(zhì)等。摩擦卷筒通過SolidThinking軟件， 摩擦卷筒材料得到了合理的分布，減小了質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。SolidThinking軟件是從概念設(shè)計階段將造型與力學(xué)完美的結(jié)合，可以免去設(shè)計師對模型網(wǎng)格的劃分工作，減少設(shè)計時間。降低研發(fā)成本，提高技術(shù)水平，可以為同類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和數(shù)值參考， 對實際的生產(chǎn)具有十分重要的知道意義。參考文獻： [

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