辦公桌掛鉤輕量化優(yōu)化設(shè)計

          

       掛鉤在人們的日常生活中具有重要的作用，對于在辦公室上班工作人而言，狹小的辦公學(xué)習(xí)空間使得越來越多的個人物品無處安放。此時，安放在辦公桌隔板上掛鉤成為人們的好幫手。本文在初始設(shè)計掛鉤的基礎(chǔ)上，運用拓撲優(yōu)化方法，使得掛鉤在承受相同載荷的情況下，最大限度的減少材料的實用，本文的設(shè)計步驟如下：

1、模型初始設(shè)計

  

                                                                                圖 1

       如圖1所示，掛鉤整體為一個零件，左端L型橫梁為掛鉤卡在辦公桌隔板上，右端尾鉤為受力點，通常用來放置重物。

2、模型幾何清理

       將該掛鉤模型導(dǎo)入至hyperworks軟件中，并對該模型經(jīng)行簡化處理和劃分網(wǎng)格。首先是對掛鉤整體表面的圓角處進行清理，得到不含圓角的幾何模型（圖2），為了減少模型在優(yōu)化過程中的求解時間，對模型進行中面抽取，得到圖3所示的掛鉤中面模型。

                                                                                圖 2 

                                                                                 圖 3

       將該中面模型按照未抽取中面前各面的厚度分別設(shè)置prop，并進行模型網(wǎng)格的劃分。在劃分網(wǎng)格過程中，模型的單元尺寸設(shè)置為0.5mm，設(shè)置模型材料為不不銹鋼304材料，該材料物理參數(shù)如表所示：

                                                                           表 1

屬性	彈性模量（Pa）	泊松比	密度（kg/m3）
值	1.95E+09	0.29	8E+03

3、載荷工況設(shè)置

      根據(jù)掛鉤在辦公桌隔板上實際受力與支撐點位置，進行載荷工況的是加，主要包括約束和力。在設(shè)計過程中，要求掛鉤最小承重為20kg，則在掛鉤尾端掛鉤處施加F=20kgf力，方向垂直于掛鉤尾端平面向下，支撐點約束為掛鉤工作過程中與隔板接觸面，設(shè)置靜態(tài)載荷工況，并進行分析，得出在優(yōu)化前施加力點處位移的大小。

4、拓撲優(yōu)化設(shè)置

      優(yōu)化過程中，考慮到整體輕量化，將所有的平面都設(shè)置為可優(yōu)化的面，約束整體體積為未優(yōu)化前的0.3和力施加點處的位移小于0.01mm，目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)整體剛度最大，該目標(biāo)函數(shù)在hyperworks中該對應(yīng)的相應(yīng)為機構(gòu)柔度最小，同時，對模型設(shè)置單平面對稱和最小成員尺寸，以確保后續(xù)加工過程中的便捷性以及避免出現(xiàn)過小單元而無法加工制造的問題。所采取的優(yōu)化流程如圖4所示：

                                                                      圖 4

      采用多次拓撲優(yōu)化得到符合設(shè)計要求的掛鉤，如圖5所示，在該模型中去除單元密度小于0.7的單元，得到如圖6所示的掛鉤結(jié)構(gòu)。

                                                                              圖 5                 

                                                                                  圖 6

       由于采用拓撲優(yōu)化方法設(shè)計得到的是擁有最少材料實現(xiàn)最大設(shè)計性能的機構(gòu)，但是在工程應(yīng)用中并不適用，因此需要對所得到的模型進行模型重構(gòu)，得到工程易于加工制造的模型，3D重構(gòu)之后得到的掛鉤結(jié)構(gòu)如圖7所示。

                                                                         圖 7

       通過對優(yōu)化前后對比計算可知，優(yōu)化后重構(gòu)模型相比優(yōu)化前減重55%，大大節(jié)省了材料的使用，實現(xiàn)了掛鉤輕量化的設(shè)計目標(biāo)，同時，由于在設(shè)計過程中設(shè)定了優(yōu)化后掛鉤兩側(cè)關(guān)于中心面對稱，也簡化了制造過程。

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