摘要：本文以礦車后橋殼的設計為例，介紹了solidThinking Inspire軟件的功能以及應用方法。首先在Altair公司的solidThinking Inspire軟件中建立初始模型，然后進行工況載荷的定義，最終將質量目標定義為30%，得到拓撲模型。在三維軟件中，依據拓撲結構進行詳細的后橋殼結構設計，同時也實現了礦用自卸車后橋殼的輕量化設計。 

     關鍵詞：solidThinking Inspire  后橋殼  優化設計  輕量化

     1概述

     礦用汽車主要運行于各種礦山和建筑施工場地，道路級別低，車輛的起動、制動和轉向非常頻繁，再加上負荷大，路面沖擊嚴重，故其工作條件十分惡劣[1]。后橋殼是礦用自卸車的承重和動力源的關鍵部件。它的結構設計在礦用自卸車的研制中占有相當的分量和較大的難度[2]。后橋殼的設計不僅需要有足夠的強度和剛度，而且合理地減輕后橋橋殼的重量也是提高礦用自卸車性能的關鍵因素之一[3]。同時輕量化的趨勢要求各類零部件都在滿足強度要求的情況下質量最小化。本文以礦用自卸車后橋殼的設計為例，應用Altair公司的solidThinking Inspire軟件在概念設計階段對其進行最優的結構探索。根據優化出來的拓撲模型，在三維軟件中進行詳細的后橋殼結構設計。該應用表明Inspire能輔助工程設計人員 獲取較優的拓撲結構，為產品的結構設計打下良好基礎[4]。

     2優化設計 

     2.1初始設計空間

     在優化設計開始之前，工程師通過Inspire創建大概的三維模型。礦用自卸車的后橋殼的初始設計空間定義如圖1所示。

                                                                                    圖1后橋殼初始設計空間

                                                                                   圖2后橋殼載荷加載和邊界條件約束圖 

     圖中褐色的實體稱為設計空間，灰色的圓環實體稱為非設計空間。由于各個鉸接孔是用來鉸接后橋殼與車架的，位置和形狀基本是不變的。因此五個非設計空間分別為：1、鼻錐鉸接孔，2、橫拉桿鉸接孔，3、左后懸鉸接孔，4、右后懸鉸接孔，5、后橋殼橋桶。所有solidThinkingInspire優化后的形態都包含在設計空間里，而非設計空間是不參與優化設計 的。與傳統設計不同，solidThinkingInspire軟件可以對設計空間進行最優形態的探索。 

     2.2載荷加載

     后橋殼分析的典型工況分為滿載靜止、臨界轉向、平直路面加速和SAE制動這4個工況。圖2表示了礦用自卸車后橋殼的載荷加載情況和邊界約束條件。圖2中紅色箭頭表示載 荷加載。其值的大小請參看表1。

表1各工況下各受力點載荷值

     例如：在滿載靜止工況下，鼻錐鉸接孔的受力為：Fx=1.2164E5N，Fy=905N，Fz=1.0579E6N。其中：Fx，Fy，Fz分別表示在X、Y、Z方向的力。其他鉸接孔的受力類似，此處不在詳細列出。

     藍色圓錐形狀的點表示邊界約束條件。后橋殼的橋桶兩邊緣處進行6個自由度約束，模擬后橋殼殼體固定在車輪上，如圖2所示。在進行優化之前，將4個工況下的載荷在各鉸接孔處按照表1的值進行加載，來模擬實際工況。 

     2.3形狀約束

     后橋殼的在Z方向左右對稱，設置該部件在XY平面兩側對稱，如圖3所示。

                                                                                   圖3后橋殼在Z方向的對稱約束

                                                                                   圖4優化結果圖

     2.4優化設計

     各工況下的載荷和約束設置完后，再設置其優化目標。這里設置的優化目標是其原質量的30%。由于是概念設計階段，其他參數設置均采用系統默認設置。軟件運行完成后得到優化結果，如圖4所示。 

     2.5創意設計

     根據之前solidThinking Inspire優化后的概念雛形，結合車架、車輪與后橋殼的連接關系以及零件制造及工藝性的要求，我們在三維軟件中進行詳細的結構設計。最終獲得的結構創意設計如圖5和圖6所示。

                                                                                   圖5創意結構正面圖

                                                                                   圖6創意結構底面圖 

     雖然設計完成是在傳統的三維軟件中實現的，但是Inspire軟件經過優化計算而獲得的最優拓撲結構才是整個設計的關鍵一步。有了這一概念雛形，我們對后橋殼的設計才有形可依，從而提高了工作效率。

     該結構比原先設計的后橋殼輕5%左右。通過對礦用自卸車的后橋殼的優化設計，證明了solidThinking Inspire的拓撲優化設計方法可以探索合理的零件材料布局，從而達到輕量化設計的目的。

     3結論

     本文以后橋殼為設計對象，利用Altair公司的solidThinking Inspire模塊將拓撲優化方法應用到后橋殼的結構設計當中，從而獲得了材料最省和承力最佳的后橋殼拓撲結構。在三維軟件中，我們依據此拓撲優化結構對后橋殼進行詳細的結構設計。所設計結構的質量比原先的結構輕5%左右，實現了輕量化設計。因此說明應用solidThinking Inspire的優化設計，不僅可以很好探索產品的最優結構實現輕量化，而且此軟件操作簡單，提高了工程師對產品的設計效率，在產品開發中具有非常重要的應用價值。

     4參考文獻

     [1]鄧勛，張文明，基于ANSYS的電動輪橋殼結構強度分析和設計，煤礦機械第29卷第7 期，2008，15-17 

     [2]余振偉，張強，電動輪礦用自卸車后橋分析初探，2009礦山設備技術高層論壇暨礦山 設備委員會年會論文集，2009，48-51 

     [3]徐勇，孫國強，SH3603（35D）型32噸礦用自卸車后橋殼有限元強度初探，19-22 

     [4]路明村，開發內外兼修之產品——論SolidThinking在產品開發流程中的重要作用，機械設計與研究，2011增刊，115-119