1.題目：

                                            基于Altair Inspire的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造一體化研究

 概述：拓?fù)鋬?yōu)化代表著當(dāng)今結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，通過(guò)該技術(shù)能得到滿足使用工況下的最優(yōu)構(gòu)型，達(dá)到輕量化的目的。增材制造技術(shù)的提出有效地解決了拓?fù)鋬?yōu)化的難加工問(wèn)題。本文主要通過(guò)結(jié)合增材制造技術(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化方法，利用Altair Inspire軟件，針對(duì)兩個(gè)具體研究對(duì)象，制定了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和增材制造的設(shè)計(jì)制造流程。

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2.課題要求:以某支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為應(yīng)用背景，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和典型載荷工況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重。

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3.課題內(nèi)容:拓?fù)鋬?yōu)化之后的結(jié)果難以采用傳統(tǒng)的加工工藝即減材制造方式加以制造，增材制造的提出有效的迎合了拓?fù)鋬?yōu)化的需要，并且Altair公司旗下的Inspire是一款專業(yè)的仿真軟件，其介紹如圖1所示。

                                                                        圖1 拓?fù)鋬?yōu)化軟件

因此，針對(duì)一無(wú)人機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，首先提取出幾何模型進(jìn)行建模，然后在Altair Inspire中劃分設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間，選取底部八個(gè)角點(diǎn)作為固定支撐，頂部受到由機(jī)體傳遞的載荷，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析模塊得到等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變?cè)茍D，并將其作為拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的比較基準(zhǔn)，如圖2所示。

                                                                      圖2 拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程

在Altair Inspire軟件中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的相應(yīng)設(shè)置，選取系統(tǒng)的柔度最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)（即剛度最大），選擇約束為體積不大于初始體積的20%，并且設(shè)置對(duì)稱循環(huán)約束，最終得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，并將其利用軟件進(jìn)行模型的后重構(gòu)，如圖3所示。

                                                                     圖3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

為了和基準(zhǔn)解得到比較，我們將其導(dǎo)入到Altair Inspire軟件中進(jìn)行分析，約束和載荷設(shè)置與前述保持一致，得到結(jié)果如圖4所示。

                                                                    圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

二次構(gòu)型后的支撐結(jié)構(gòu)在約束下受力的最大等效應(yīng)力為243.86MPa，在支撐結(jié)構(gòu)的鋁合金材料抗拉/壓極限內(nèi)，并且從幾何質(zhì)量中可以得到，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量為0.082千克，與初始結(jié)構(gòu)的重量（0.420kg）相比，質(zhì)量下降了80.5%，應(yīng)力水平只上升了50%，仍滿足強(qiáng)度要求。

然后將其利用極光爾沃公司的603-s設(shè)備進(jìn)行增材制造，其增材制造過(guò)程和結(jié)果如圖5所示。

                                                                      圖5 增材制造結(jié)果

我們不滿足于這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的建模和優(yōu)化，我們將其流程推廣到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件中，如汽車的輪罩護(hù)板部分，首先對(duì)汽車的輪罩護(hù)板部分進(jìn)行建模，然后取需要考慮的部件進(jìn)行分析，對(duì)輪罩護(hù)板部分進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，所得到的模型圖如圖6所示。

                                                                        圖6 汽車輪罩護(hù)板

為了驗(yàn)證Altair Inspire軟件在簡(jiǎn)化操作的同時(shí)仍然能保持很高的精確度，采用Altair Inspire軟件優(yōu)化結(jié)果和ANSYS workbench軟件進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

                                                                     圖7 不同軟件優(yōu)化結(jié)果

可以從上圖中看出，使用兩種軟件所得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果基本一致，而Altair Inspire操作更加便捷，所得結(jié)果可以自動(dòng)進(jìn)行光順化處理，因此值得大力推廣和應(yīng)用。

后續(xù)模型的后重構(gòu)和驗(yàn)證在此不再贅述。得到拓?fù)鋬?yōu)化模型的最大等效應(yīng)力為351.12MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.37×10^-4，質(zhì)量為0.053千克，質(zhì)量較原結(jié)構(gòu)減輕72%，應(yīng)力水平只上升11%，優(yōu)化效果顯著。最終制造的模型如圖8所示。

                                                                        圖8 增材制造結(jié)果

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4.結(jié)論：

由前述兩個(gè)算例可以得出，拓?fù)鋬?yōu)化作為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化潛力最大的方法，應(yīng)用面十分寬泛，但是其后重構(gòu)模型難以采用普通成型方式制造。增材制造作為近年來(lái)研究熱點(diǎn)之一，其概念的提出解決了部分拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題中難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的部分問(wèn)題。因此，可以將拓?fù)鋬?yōu)化方法和增材制造技術(shù)作為不可分割的整體，從大局的高度研究該問(wèn)題，并且，Altair Inspire作為一款優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)創(chuàng)成化設(shè)計(jì)軟件，值得被廣大設(shè)計(jì)師應(yīng)用和推廣。值得關(guān)注的是，這一軟件在近年來(lái)吸引了越來(lái)越多的海內(nèi)外學(xué)者，拓?fù)鋬?yōu)化方法和增材制造技術(shù)的理論和應(yīng)用如雨后春筍般迅速壯大。

大連理工大學(xué)-孫肇優(yōu)-Altair Inspire學(xué)生案例競(jìng)賽+工業(yè)設(shè)計(jì).zip