文中以某公司新型注吹機上模板為研究對象，利用SolidWorks和HyperWorks分別進行三維參數化建模與力學性能分析，并運用有限元中的優化模塊對上模板進行結構優化設計，并根據拓撲優化分析結果、模板的設計要求和制造工藝要求，獲得了拓撲優化后的模板結構。經公司生產實踐，該模板結構達到設計要求，結構合理，很好地解決了工程中的實際問題。

（1）靜力學分析

根據材料力學彎曲強度理論公式，并結合注吹機安裝尺寸和設計要求，初步確定上模板的外形尺寸：長度為1632mm，寬度為240mm，初始高度為300mm。其外形如圖1所示。

圖1上模板的外形圖

將升降導桿簡化為剛性體，與上模板的連接看成是剛性連接；在模板的對稱面上施加對稱約束；在安裝注芯主板位置處添加對上模板的Z方向的位移約束。

液壓缸合模力是通過螺栓作用于上模板，因此，可將每個螺栓孔看成一個節點，即共有10個節點，其合模力簡化為作用于上述節點的均布載荷。上模板添加的邊界條件及載荷情況如圖2所示。

 圖2 上模板的邊界條件與載荷

由應力云圖可看出，上模板的應力大部分都在30.0MPa以下，受力情況較均勻，整體應力值很小，最大應力位于螺栓節點處，為95.1MPa，可見該模板應力裕度很大。從位移云圖可以看出，總體趨勢為離模板中心越遠，上模板的變形量就越大，最大變形量約為0.098mm，根據設計要求其變形量最大為0.3mm，同樣其變形量裕度過大。

 圖 3上模板位移和應力云圖

（2）建立拓撲優化模型

模板優化模型與之前的有限元分析模型的建模過程相似，網格劃分、邊界條件與載荷的添加一樣，不同的是，拓撲優化需選取整體模型作為優化對象，因此并不需要設置對稱約束。同時，在優化前要將模板結構劃分出設計區域和非設計區域，其中，對于在優化設計時不允許改變的區域，如導孔、載荷和約束區域等，將其劃分為非設計區域，其余為設計區域。然后再進行網格劃分，得出優化模型如圖4所示。

 圖4 上模板拓撲優化的有限元模型

（3）定義優化數學模型

根據模板拓撲優化數學模型，定義其設計變量，約束函數及其目標函數。

目標函數	模板的體積分數最小
約束函數	左右兩端節點的變形量最大為0.3mm
設計變量	體積分數

（4）分析拓撲優化結果

優化分析結束后，進入到Hyperview后處理中查看優化結果，得到經過60步迭代，偽密度云值為0.3~1的密度云圖，如圖5所示。

 圖5上模板拓撲優化結果

（5）二次建模及靜力學分析

基于拓撲優化所得到的優化結果，結構邊界呈現不規則性，直接由優化結果建立CAD模型是行不通的，需要對優化結果進行適當的簡化和修改。依據拓撲優化結果中偽密度云圖的大致結構，保留結構受力的主要路徑，結合經驗對結構進行重新設計，在設計過程中對拓撲優化結構進行一定的調整，可用近似的規則形狀代替不規則形狀。在SolidWorks中建立優化設計后的實體模型，其模型如圖6所示。

 圖6優化后上模板實體模型

二次分析得到模型的應力云圖和位移云圖如圖7所示。

 圖7優化后上模板應力和位移云圖

從圖中可知，優化后的上模板最大應力為104MPa，最大變形量為0.200mm，其強度和剛度都能滿足要求。