1. 前言   

拓撲優化（topology optimization），是指一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在指在給定的設計空間內找到最佳的材料分布或者傳力路徑，從而在滿足各種性能的數學方法。 

Inspire SoidThinking 作為一款界面良好，受眾面廣，簡單易上手的拓撲優化軟件， 大大的減小了結構拓撲優化的入門門檻，甚至規避了 CAE 仿真中繁重的網格劃分工作，無須廣泛的專業知識作為應用基礎，是初學者或希望親身體驗拓撲之美的設計師們的不二之 選。對擁有三維造型功底的設計師們來說，只需短短數小時的培訓即可單獨上手 Inspire 的應用。 

本文以老板椅五角爪為例，搭配視頻描述使用 Inspire 過程中的技巧和心得。通過拓撲優化的技術，設計一款結構優秀，造型美觀，力學性能出眾的五角爪。本模型使用了 Inspire 的絕大部分功能，讀者可舉一反三將該優化技術運用于其他領域之中。

2. Inspire 操作流程  

2.1 Inspire 圖形區操作：  

平移：shift+RMB 

轉動：MMB 

縮放：滾動 MMB 

適合圖形區：F 

2.2 導入幾何模型 

Inspire 可導入的幾何文件格式如下圖，因此可采用自己熟悉的三維軟件建立幾何模型，導出或者轉成中間格式文件（x_t，stp，igs）再導入到 inspire 中  

需要注意的是，Inspire 中用于拓撲優化設計的 CAD 模型分為設計區域和非設計區域，以本文五角爪為例，將其中五個輪輻區域填充上實體即為設計空間，而中心及輪輻端 部區域為承載和支撐區，為非設計空間，在畫幾何模型時，要將兩區間內的實體區分開 （連續但隸屬不同實體），以便后續在 inspire 中設計空間的劃分。

2.3 模型設置   

將畫好的欲進行拓撲優化的結構模型導入 Inspire（file——import)，如下圖為導入 后情況。

a) 單位設置   

導入幾何文件之后，應在圖形區右下角為模型選擇適合的單位制，這里選擇 mm, t, N, Mpa。注意在每次應用優化之前，務必檢查單位制是否合適，避免后續工作無端的錯誤。

b) 設置模型用材料   

點擊工具欄‘材料’按鈕 ，在彈出的對話框中對模型的各個實體進行材料的 設置，點擊對話框中 part 后中 material 的下拉三角，即可選擇軟件中自帶的材料進行設置。也可以設置自己的材料，Inspire 中的材料包涵彈性模量，泊松比，密度，屈服 應力等參數。本例中使用 Inspire 自帶材料庫中的 ABS 工程塑料。

c) 設置約束   

點擊工具欄載荷圖標上的小圓錐 （會有 apply supports 提示），再在圖形區中依次點擊輪輻端部五個小圓面，即在該圓面上加上了固定約束（六個自由度默認均 被限制），倘若想只約束某個方向的自由度，可單擊紅色約束標記，在出現的方向桿上點擊其變成綠色即表示該向自由，在這里我們五個輪輻均進行全約束。 

通常情況下，老板椅底部均安裝有萬向輪，其與支架的連接方式為螺紋連接。我們可以利用 Inspire 中的“螺紋連接”功能，方便快速的創建螺栓模擬連接工況。該功能模塊可以自動查看模型中“對齊了的孔”或“單個孔”，單擊“單個孔”并在圖形 區單擊變為紅色的孔洞，即可在此處添加一個螺栓。本例中分別在五個支撐腿的端部 添加螺栓，用以保證此處有足夠的結構強度維持螺栓的連接。

d) 設置載荷   

通過觀察老板椅在日常使用中的載荷情況，本例對模型施加兩種載荷：集中力載荷和彎矩載荷。  首先點擊工具欄 loads 圖標上的單箭頭（會有 apply forces 提示） ，再點擊 圖形區中心圓孔面，施加載荷 1100N，方向為 Y 軸負方向。 下面介紹如何在模型中添加彎矩。在彎矩的加載中，最為重要的是保證彎矩有一個正確的加載方向，此時往往需要一定的幾何計算求得正確的參數來進行設置。以本模型為例，想要施加轉動方向與支撐腳平行，轉軸水平的彎矩，如下圖所示：不推薦直接將加載設置在設計空間上，最好通過非設計空間進行力學傳遞。本例為操作示意

由于本模型為周期對稱模型，可知每兩個角爪之間夾角 72°，按下圖所示方式放 置模型后，計算各個角爪的方向向量坐標，在定義彎矩時輸入 Inspire 即可得到正確的 轉矩設置。彎矩的數值大小為 500000 N.mm。

五個角爪的彎矩方向向量分別為：

 2.5 查看結果  

圖形區會有計算的進展條提示，當完成后，會有一面綠色小旗表示計算結束，點擊 view now，即彈出一個形狀探索器用于查看優化后的形狀，如下圖，來回拖動形狀 探索器上標尺，即可查看優化后不同體積百分比的形狀效果，一般按其五角星所在位置為最佳形狀。

2.6 優化設計   

由于拓撲計算導致生成的模型文件細節極度復雜，一般的樣條曲面無法正確的表述模型，建議導出 STL 文件（file——save as)以維護計算結果的完整性。.stl 文件是在 計算機圖形應用系統中，用于表示三角形網格的一種文件格式，其可以用三角形較為 精確的描述拓撲結果的幾何外觀。但 STL 文件后期編輯較為復雜，需借用 CAD 軟件中 的逆向工程模塊重新建模，或利用，某些 CAD 軟件的 QSR/SCANTO3D 等功能自動生成 可編輯的模型文檔。目前也有諸如 Geomagic Studio 等專門的 STL 處理軟件，可以大大 方便我們拓撲優化之后的模型處理工作。作為一款優秀的 CAE 前處理軟件，我們也可 借助 Altair 公司的 Hypermesh 的網格處理功能編輯 Inspire 生成的 STL 文件。  另外一點需要說明的是，STL 文件在 3D 打印領域應用廣泛，大多數打印機的用戶 軟件支持直接導入 STL 文件進行 3D 打印，這也為我們模型的展示帶來了方便。  

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