基于SolidThinking Inspire平臺的某型爬行小車腿部零件拓?fù)鋬?yōu)化小試

劉大川

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某型六足爬行機(jī)構(gòu)——腿部零件優(yōu)化小試

課題背景

鑒于項目相關(guān)保密要求，說明些許情況如下：某型六足爬行機(jī)構(gòu)由無刷電機(jī)驅(qū)動，二級齒輪組減速；機(jī)體自身質(zhì)量不足18g，能夠額外承載計17g左右，單自由度爬行速度約0.4m/s。借助于solidThinking Inspire的拓?fù)鋬?yōu)化模塊和3D打印技術(shù)——DLP光固化技術(shù)，完成對其某些關(guān)鍵零部件的輕量化設(shè)計。

某型爬行機(jī)構(gòu)整體如圖所示：

這里對某型爬行機(jī)構(gòu)的一條腿進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化（其余類似即可），每條腿由以下3個零部件構(gòu)成：

優(yōu)化過程

首先在Inspire中將所使用的材料（未來工廠8000樹脂）各屬性添加到“我的材料”中，便于后續(xù)使用。

接著在solidworks中建立并處理爬行機(jī)構(gòu)的腿部模型，考慮到螺栓連接處需留作裝配空間，優(yōu)化時設(shè)為非設(shè)計區(qū)域，所以先將腿部各零部件分為非設(shè)計區(qū)域和設(shè)計區(qū)域不同的子零件，然后按相應(yīng)的位置組成裝配體。將腿部受載荷最大時的臨界姿態(tài)對應(yīng)的裝配體模型文件導(dǎo)入Inspire中，并添加之前自定義的未來8000材料屬性，定義好我們想拓?fù)漭p量化的地方作為設(shè)計區(qū)域（圖中灰褐色區(qū)域）。

接下來定義對應(yīng)的連接接觸，兩處接地螺栓（假定爬行機(jī)構(gòu)機(jī)體固定）和兩處鉸接，施加通過相關(guān)參數(shù)計算施加于腿部的臨界載荷（無刷電機(jī)通過齒輪組傳遞出的扭矩，和地面對小車質(zhì)量施加的支承力）。

為了對拓?fù)鋬?yōu)化后的零部件形狀進(jìn)行一定的控制，對腿部的三個零部件施加沿對稱面的形狀約束。

至此設(shè)定好參數(shù)后，開始進(jìn)行后面的分析和優(yōu)化。

先初步分析在此臨界載荷作用下，爬行機(jī)構(gòu)腿部零件所受的最大位移和應(yīng)力值。

位移云圖.bmp

接著進(jìn)行腿部零部件的拓?fù)鋬?yōu)化，運行優(yōu)化設(shè)置如下圖，保證最大化剛度條件下的拓?fù)鋬?yōu)化，預(yù)期質(zhì)量目標(biāo)保留50%，厚度約束默認(rèn)。

優(yōu)化結(jié)果如下圖所示，通過按鈕調(diào)節(jié)使得腿部零部件各材料保持連接。（也可設(shè)置最小尺寸，便于后續(xù)的3D打印制備）。

結(jié)果展示

最后基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果重新建模再設(shè)計，再相應(yīng)進(jìn)行有限元分析（為了取得較好的效果，建議多重復(fù)幾次），下圖所示為此次初步驗證性設(shè)計的腿部零部件模型圖（保守設(shè)計，多是為了測試零部件剛度強度等是否符合預(yù)期使用要求）。

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