摘要: 針對全國大學生工程訓練綜合能力競賽要求，設計了一款無碳小車的車架，并用 Altair 公司的 Inspire 軟件對其進行拓撲優化，在保證其剛度的前提下減重 52.5%，有效降低了小車制作成本，完成了對無碳小車車架的輕量化設計目標。

1 概述 

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是教育部高等教育司發文舉辦的全國性大學生科技創新實踐競賽活動，針對第六屆競賽雙 8 項目要求，學生需自主設計制作一輛以 1kg 的重錘重力勢能驅動的無碳小車完成雙 8 字軌跡的周期性繞樁行駛。因為樁距較小，對小車的精度要求極高，因此小車車架的設計應在保證結構剛度的前提下達到輕量化的要求。為盡量減少安裝時定位帶來的誤差，設計了一款將后輪支座與底板做為一體的車架，為保證強度，材料選用性能較優異的 7075 鋁合金，因為 7075 鋁合金價格較高，所以在設計時更需要做到輕量化。考慮到 Altair 公司的 Inspire 軟件有著十分便利的分析、優化功能，因此選用該軟 件對車架進行拓撲優化。本文概述了用 Inspire 軟件對車架的拓撲優化過程，并將優化完的結果與優化前進行對比分析，車架經過優化實現了減重 52.5%且保證了足夠的剛度，可有效降低制作成本。

2 原模型有限元分析 

2.1 模型導入 

原模型包含前部兩個直徑為3 螺栓孔，中部 3 個直徑為6 螺栓孔，后部支座上兩個直徑為13 軸承通 孔，導入 Inspire 后將幾個孔處劃分為非設計空間，模型如下：

2.2材料與屬性

所使用材料為 7075 鋁合金，材料參數如下： 

                                                               表 1 材料參數

2.3車架有限元模型受力和約束圖

工況： 

（1） 車架前部兩個螺栓孔以及支架 上兩個軸承座孔固定約束； 

（2） 中間三個孔需承受 1kg 重錘的 重力，考慮到定位精度要求， 將載荷放大為 2.1kg，三個孔 共承受向下的 21N 的力，平均 每個孔受 7N 的力； 

（3） 對結構施加重力載荷。 約束及載荷圖如右所示：

                                                               圖 2 約束及載荷圖

2.4車架有限元模型分析

分析結果如右圖所示，腹部下降較明 顯，最大位移為 0.6698μm，尚不會對配合 造成明顯影響，且后部位移明顯較小，存在 較大優化空間。

                                                              圖 3 原模型位移云圖

3 模型優化 

3.1模型預處理

因為模型后部有兩較薄支架，為擴大優化空間，首先將兩支架中間填充實體，并在對應 位置施加約束及載荷，結果如下：

                                                圖 4 預處理后模型及其約束載荷圖

3.2 預處理后模型優化及 NURBS 曲面重建

通過 Inspire 的拓撲優化模塊對該模型進行結構優化，工況與原模型一致，設置優化目 標為剛度最大化前提下，質量減為原來的 30%，模型優化結果如下，并構造 NURBS 曲面 重建模型。

                                                圖 5 優化模型及 NURBS 曲面重建模型

3.3 優化模型分析及與原模型的對比分析

在相同的工況下對優化模型進行分析，結果如右圖所示，最大位移為 0.7414μm。

                                                          圖 6 優化模型位移云圖

原模型與優化模型的質量與剛度對比結果如下：

                                                       表 2 原模型與優化模型對比分析

由分析對比得車架經拓撲優化后質量降低了 52.5%，最大位移增大了 10.7%，可見在 剛度基本保證的前提下車架質量大大降低，完成了輕量化設計目標。

4 結論

工程訓練綜合能力競賽是大學生中規格非常高的國家級競賽，對學生的分析、建模、操 作能力提出了很高的要求，但能夠將優化的思想在這項賽事中體現出來的隊伍不是很多，而 Altair 公司的 Inspire 軟件則降低了優化分析的門檻，為學生以及設計師提供了非常方便且功 能齊全的優化功能，可作為高校優化分析相關課程的教學軟件，Inspire 軟件不光在設計界， 在高等教育中同樣有著巨大應用前景。

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