張婧 姜峰 （蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000） 

摘 要：為了打破機械裝備外觀設計憑經驗設計的局面，對拓撲優化進行分析研究，并以板束焊接生產線為例，運用 solidThinking Inspire 軟件對其進行拓撲優化，并結合頭腦風暴來指導外觀造型方案的構建，在此基礎上，運用仿真分析對造型進行驗證并結合人機工程學原理對產品的外觀造型、結構性能進一步完善。旨在找到一條系統、科學的設計方法，以此為機械裝備產品設計提供更加合理、可靠的參考

引言  

機械裝備外觀設計有別于消費品設計，它具有體積大、工作強度高、使用環境特殊、非標設計、生產批量小等特點，因此，外觀造型不受重視，經常按照以往的經驗進行設計。但是，出色的機械裝備外觀設計真正要解決“形態與結構匹配性問題”與“美學問題”之間的 協調和平衡[1]。造型設計的首要任務就是形態與結構的匹配，其次，在解決形態與結構匹配 的基礎上，解決產品美觀問題。本文對板束焊接生產線進行創意設計研究，運用 solidThinking  Inspire 軟件尋求滿足功能條件下的最佳結構形式，再通過頭腦風暴、仿真驗證、人機工程 設計等，使產品結構緊湊、外形美觀、安全耐用、性能優良、易于制造。 

1 拓撲優化概述

拓撲優化就是根據一定的準則，在滿足各種約束條件和使用功能的情況下，在給定設計 空間內去除不必要的材料，找出最佳材料分布，使結構在規定范圍內達到最優化[2]。通過這項技術的應用，可以使用最少的材料、最簡單的工藝實現結構的最佳性能。在保證正常使用 功能的前提下，提高產品質量既滿足安全可靠、效益顯著，又滿足降低能源與材料等的消耗， 保護環境，這也符合目前建設節約型社會的需要。

solidThinking Inspire 軟件是數字產品開發中的一項具有開拓性的成果，它在一個友好 易用的軟件環境中提供了仿真驅動設計的工具。它應用于設計的早期，幫助用戶生成和探索 高效的結構基礎。solidThinking Inspire 采用美國 Altair 公司先進的 OptiStruct 優化求解 器，根據給定的設計空間、材料屬性及受力需求生成理想的形狀，根據軟件生成的結果進行再設計。

2 板束焊接生產線優化設計  

板束焊接生產線主要用于制造大型熱交換產品的焊裝生產線，它主要由 9 個龍門架、 18 個油缸、工作臺、小車等組成。運用 solidThinking Inspire 軟件對龍門架進行拓撲優化， 尋求龍門架最優造型結構。

2.1 設計空間定義

所謂設計空間就是優化前的初始結構，在優化過程中不改變非設計空間，通過優化計算， 挖掉設計空間中的多余部分，所剩部分構成的形狀被認為是結構優化的結果。設計空間一般 選取優化對象所占據的最大可能區域，以充分挖掘優化潛力，同時要保證約束及載荷能夠有 效傳遞到結構上，以及結構的工藝性[2]。

板束焊接生產線體積大、工作強度大，對人—機—環境協調性要求很高，龍門架設計必 須充分考慮到人機操作尺寸、機器運轉尺寸、工作臺活動范圍等因素，建立基礎模型，如圖 1 所示。油缸安裝孔、龍門架固定基礎，如圖中灰色區域；設計空間：其他區域，如圖中紅色區域。

                                                      圖1 基礎模型設計空間 

2.2 約束與載荷 

在滿載工況下，對龍門架兩個油缸處分別添加 1.5MN 集中力，對底端施加約束，并添加對稱。進行拓撲優化，保留質量30%?？紤]最大工作載荷，對龍門架油缸安裝孔分別添加 1.5MN 集中力，對底端施加固定約束，添加結構對稱約束。優化目標為最大剛度，質量目標保留 30%，厚度約束最小為 0.09m，如圖 2 所示。

                                                    圖2 基礎模型約束與載荷

2.3 優化結果 

對板束焊接生產線龍門架拓撲后得到模型，如圖 3 所示。為進一步驗證拓撲后模型的結構強度，用 Inspire 軟件進行有限元計算，得出：最大等效應力為 123.6MPa、安全系數為 2.8（大于 2.0）符合設計要求，應力云圖、安全系數分布圖如圖 4、5 所示。

                圖 4 應力云圖 

                 圖 5 安全系數分布圖

2.4 靈感捕捉

由工業設計、機械設計、工程力學等不同專業組成的 10 人團隊，對龍門架拓撲后造型進行頭腦風暴，經過討論的拓撲后造型相似編鐘、虎頭帽、古幣、夾子、頭盔、擎天柱等。 因機械設備與擎天柱相似度較高，最終選取擎天柱作為設計靈感。

                                                      圖6 頭腦風暴發散圖

2.5 提取對象特征   

擎天柱是動漫作品《變形金剛》中的主角，主體為紅、藍二色，顏色對比鮮明、辨識度極高，身軀其余部分為鐵灰色，色澤厚重、極富質感，造型劍拔弩張，富有張力。

                                                      圖7 擎天柱特征提取圖

2.6 手繪草圖   

運用 photoshop 軟件對擎天柱的外形輪廓進行提煉，并結合拓撲后的原始造型，手繪草圖，初步確定龍門架造型方案。

                                                        圖8 龍門架草圖 

2.7 模型建立       

運用 Solidworks 軟件對全焊板束裝配生產線建模并組裝，通過零件裝配、干涉檢查、及工作空間測量，驗證了該生產線功能性滿足設計要求。

               圖9 全焊板束裝配生產線模型                   圖 10 全焊板束裝配生產線尺寸圖

2.8 細節設計   

在人機工程設計方面，整個生產線整體結構布局統一、協調、合理，視覺感受放松、明凈，工作環境宜人性高，人—機—環境關系優良；在色彩設計方面，提取擎天柱配色，整體色彩調和比例符合色彩美度要求。在細節設計方面，油缸蓋板可以保護油缸，并且方便維修； 安裝扶梯、圍欄，方便維修、保護工人安全等，如圖 11 所示。

                                          圖 11 全焊板束裝配生產線效果圖

3 內部結構優化設計

龍門架由多塊板片焊接而成，拓撲優化結合加工工藝要求對龍門架焊接件進行內部結構設計。 

3.1 設計空間   

將模型導入 Evolve 軟件，建立實體模型，并對模型進行分割，形成四部分，便于定義設計空間。模型導入 Inspire 軟件，將外部鋼板、油缸安裝孔設定為非設計區域，如圖 12中灰色區域。

                                        圖 12 全焊板束裝配生產線細節圖

3.2 工況及約束  

考慮最大工作載荷，對龍門架油缸安裝孔內表面分別添加1.5MN 集中力，對底端施加固定約束，添加結構對稱約束；優化目標為最大剛度，質量目標保留 30%，厚度約束最小 0.08m。

                                                       圖 13 模型約束與載荷

3.3 優化結果  

參照優化結果，并結合制造加工工藝，設計出龍門架內部筋板結構，用 solidworks 建立模型，如圖 15 所示：

                         圖14 拓撲后的內部結構                    圖 15 內部結構模型

 4 強度可靠性驗證 

龍門架工作過程中，上梁受到油缸的推力，每個油缸施加的推力為 1.5MN，考慮到板束的最大變形不能超過 2mm，并判斷是否滿足設計要求。 

4.1 強度可靠性驗證  

采用準靜態的分析方法。對原模型做適當簡化，創建有限元模型，兩個油缸對上梁最大推力的工況做分析，結果如圖 16、17 所示。

                           圖16 龍門架等效應力云圖                 圖 17 龍門架位移云圖

根據計算結果，全焊板束裝配生產線各主要部件的分析結果見表 1，其中最大等效應力是計算得到的該零件上的最大等效應力。 

             表 1 全焊板束裝配生產線龍門架分析結果

4.2 色彩美度驗證  

借助色彩美度計算來評價該配色方案是否符合審美標準并進行調整。色彩屬性值如表 2 所示。

           表 2 全焊板束裝配生產線龍門架分析結果

三組色對色相差分別為“對比調和”、“對比調和”、“第二曖昧區”，根據表 5，色 相差決定的秩序因數分別為 1.7、1.7、0.65； 

 5 總結   

本文運用 solidThinking Inspire 軟件對板束焊接生產線龍門架進行拓撲優化，找到最優結構形式進行產品設計，最后運用仿真分析對產品的功能進行模擬測試，保證產品設計的可靠性和合理性。這種更系統、更科學的設計方法打破了常規機械產品只重視功能的現狀，將 引導機械設計與工業設計的雙向融合，達到縮短產品開發周期，增強產品可靠性的目的。 

參考文獻 

[1] 趙可恒. 工業設計導入裝備制造業產業升路徑探析. 現代裝飾理論.2005 

[2] 徐偉. 工程車輛車價的拓撲優化與減重設計. 南京理工法學碩士論文. 2007

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