基于Altair Inspire的旋轉梳齒式停車場關鍵部件結構優化設計

                                                                袁威、晏一凡

摘要：個人設計的停車場結構有較多的冗余，本文針對停車場運輸機構的第三層進行結構優化。用inspire進行靜力學分析，判斷結構是否有輕量化空間。以設計空間的單元相對密度為設計變量、以剛度最大化為設計目標；以厚度為約束條件，建立拓撲優化模型?？紤]擠出和非擠出兩種工藝下的不同方案，對拓撲結果進行polyNURBS幾何重構，最后比較兩種方案的輕量化效果以及Von Mises應力、位移結果，選擇出最優的優化方案。結果表明：在保證強度條件下，模型的質量減輕了57.5%，為該停車場部件的設計與生產提供了新思路。

關鍵詞：停車場部件；拓撲優化；polyNURBS

1、 問題的提出：

團隊本科參加過大學生機械創新大賽，自行設計一款停車場，如圖a所示，這個停車場方案獲得了省二等獎。但在結構上出現了材料冗余、導致整個停車場部件很笨重。

特別是停車場運輸機構的第三層,如圖b與c所示，該機構是停車場運輸機構部件中承載要求較高的部件，但材料冗余現象非常嚴重。為此，團隊基于inspire進行第三層運輸機構的輕量化設計。 

                                                         圖1 停車場構件基本信息

2、 原結構校核

因實際停車場體積較大，加工起來成本較高，所以我們設計的是按比例縮小后的模型。本文研究的停車場為提高運行安全性，增加結構剛度，整個停車場所有結構均采用鋼Q235制造。該材料的性能參數如表1所示。

                                           表1 運輸機構材料及力學性能

材料	密度ρ（kg/mm3）	屈服極限（MPa）	彈性模量（GPa）	泊松比
Q235	7.85ⅹ10-6	235	207	0.28

第三層運輸機構約束及載荷為：第一個是第二層運輸機構向下施加的1000N力、第二個是驅動電機給機構施加的向上的力為500N、第三個是與絲杠配合的孔在絲杠工作過程中受到的100N軸向力、第四個是兩個固定桿對它的固定約束。不同力的施加位置如圖2所示。

                                                       圖2 約束及載荷的施加

靜強度分析后，查看構件的VonMises應力以及位移，由圖3可知，最大應力為47.5MPa，最大位移是0.087mm，而該材料的屈服極限為235MPa，留有足夠的輕量化設計空間。

                                                         圖3靜力分析結果

3、 建立設計空間和形狀控制

如圖4所示，優化前需要將模型劃分為設計區域和非設計區域，設計區域以紅棕色表示。將運輸機構第三層受到的第二層向下壓力區域以及電機提供的向上力區域為不可優化區域，中間與絲杠配合的內螺紋孔所在平板和與兩個固定桿配合的光滑圓孔為不可優化區域，其他位置為可優化區域。

                                                              圖4 建立設計區域

設計空間設置好后，需控制兩個懸臂優化過程中對稱，以保證制造工藝的可行性。本文使用兩種方案進行結構優化，方案一添加對稱約束；方案二以添加擠出的形狀控制，具體參數如表2所示。

                                                              表2 方案對比

	方案一	方案二
優化目標	最大化剛度
質量目標	設計空間總體積30%
厚度約束	最小厚度7.5mm
頻率約束	無	最大化頻率
形狀控制	對稱	擠出

4、優化結果與polyNURBS重構

兩種優化方式生成的優化結果有很大差別，以對稱方案拓撲優化得出的結果如圖5所示，兩個懸臂內部被掏空，外部結構無明顯變化。以擠出方案拓撲優化得出的結果細節更為精致，如圖6所示。兩個懸臂孔洞較為均勻，易于后期的幾何重構及加工制造。

                                        圖5 方案一拓撲優化結果

   

                                       圖6方案二拓撲優化結果

根據拓撲優化后的結果，將兩種拓撲結果進行幾何重構。利用inspire強大的polyNURBS擬合功能，可以直接在拓撲結果上進行高效重構。重構幾何模型時，利用polyNURBS的包覆、橋接、銳化等功能將懸臂擬合拓撲結果，并與非設計區域缺失連接材料的部位建立連接。其中，在方案一中將非設計區域與設計區域重構為整體，在方案二中利用布爾運算連接所有部分。兩種幾何重構如圖7所示。方案一模型質量0.411kg，方案二模型質量0.569kg，方案一輕量化效果更好。

                                                    a）方案一幾何重構

                                                         b）方案二幾何重構

                                                        圖7 兩種方案的幾何重構

5、強度校核及結果分析

將兩個方案重新進行靜力分析，載荷、約束、材料、屬性的設置不變，分析結果如圖8、圖9及表3所示。

                                                       a）方案一應力云圖

                                                            b）方案二應力云圖

                                                           圖8 兩種方案的應力校核

                                                                   表3 優化結果

	質量（kg）	最大位移（mm）	最大應力（MPa）	質量減少%
優化前	1.340	0.087	47.5	——
方案一	0.411	0.156	166.4	69.33%
方案二	0.569	0.152	171.2	57.54%

 

                                                           圖9 優化結果評價

 

由表3可知，兩種優化方案都有較大程度地輕量化，方案一質量減少了69.33%，方案二質量減少了57.54%，方案一輕量化程度更高。最大應力方面，方案一與方案二最大應力相差不大，考慮到電機驅動工況穩定，且安全系數皆大于1.2，而Q235材料的屈服強度235MPa，能夠滿足安全性。考慮到實際制造工藝與生產效率等因素，綜合考慮，選擇方案二為最終優化結果，用Solidthinking Evolve渲染的結果如圖10所示。

                                               圖10  Solidthinking Evolve 渲染結果

6、結語

（1）經拓撲優化后，模型的質量減少57.54%，減重效果良好，校核后強度仍能滿足安全系數和使用要求，在頻繁的停車場使用工況中節約了電力成本。由于模型懸臂去除的材料較多，外形趨于復雜，設計擠出工藝可以降低加工難度，在批量生產中可以降低生產成本。

（2）利用inspire在模型前處理中的高效便捷，可以輕易對導入的模型進行修補破面，簡化圓角等直接操作，在對模型校核分析時，無須考慮傳統CAE分析軟件中的網格及其質量問題，彌補了我們團隊中CAE基礎薄弱的問題，快速將該停車場運輸結構改進的模型從想法付諸于仿真實踐。

參考文獻

[1]胡春陽,周齊齊,張巖.基于OptiStruct的某前移式叉車連接盤優化設計[J].機械工程與自動化,2019(06):118-119.

[2]虞浩.結構拓撲優化的發展歷程與展望[J].科技資訊,2008(23):195-196.

[3]徐偉. 工程車輛車架的拓撲優化與減重設計[D].南京理工大學,2007.

[4]林如松，張祥宇，孟岳，等.基于Hyperworks&Solid-thinking Inspire的客車加熱器支架結構優化及輕量化設計[J].機械設計,2019，36(11):110-113.