包裝件結(jié)構(gòu)優(yōu)化
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-10-26
包裝件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實例教程
行業(yè)：電子消費品
挑戰(zhàn)：如何優(yōu)化空調(diào)結(jié)構(gòu)和包裝設計
Altair 解決方案：利用RADIOSS碰撞理論進行空 調(diào)器結(jié)構(gòu)、包裝設計
優(yōu)點：節(jié)省材料 ； 結(jié)構(gòu)性能更高效 ； 加快設計周期
背景介紹
海爾集團創(chuàng)立于 1984 年，主要研發(fā)和生產(chǎn)冰箱、空調(diào)、洗衣機、熱水器、彩 電和廚房電器等白色家電。海爾集團“秉承銳意進取的海爾文化，積極拓展業(yè)務新 領(lǐng)域，開辟現(xiàn)代生活解決方案的新思路、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新服務，引領(lǐng)現(xiàn)代生活 方式的新潮流，以創(chuàng)新獨到的方式全面優(yōu)化生活和環(huán)境質(zhì)量。”
隨著家電市場競爭日益激烈，產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和開發(fā)周期越來越受到家電企 業(yè)的高度重視。計算機軟件和硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，對百萬以上大型模型進行求解 的效率越來越來高。利用 RADIOSS 碰撞理論進行空調(diào)器結(jié)構(gòu)、包裝設計，可以大 幅提高產(chǎn)品的可靠性，有效節(jié)約包裝材料，并進行創(chuàng)新設計，達到行業(yè)的技術(shù)領(lǐng)先。
挑戰(zhàn)
依靠工程師設計經(jīng)驗以及參考母本進行的空調(diào)結(jié)構(gòu)、包裝設計方法，往往只能 做定性的分析。當模型結(jié)構(gòu)較為復雜時，定量的手工計算分析是非常困難的。單靠 工程經(jīng)驗進行的設計方法存在過度使用材料，或強度欠佳等問題，已遠遠不能滿足 家電行業(yè)快速發(fā)展的需要。
“利用RADIOSS的多CPU技術(shù)、質(zhì)量縮放技術(shù)進行跌落分析，計算效率更高；計算結(jié)果更準確，不受CPU核數(shù)的影響。”
展開 1、原始結(jié)構(gòu)由焊接板組成，作用力為傾斜45度施加，通過對模型分析，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使得模型質(zhì)量不變或更小的情況下承受更大的作用力。
2、在inspire中進行受力分析并優(yōu)化最終模型，并在其他Cad軟件中重新構(gòu)建，最終成型模型更加輕量化，且不再有多個鈑金拼接而成，受力更均勻合理。
傾斜45°力作用在零件，與平臺固定夾角45°，拓撲優(yōu)化零件減輕重量優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
3、尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。
如何使吊耳在滿足強度條件的前提下，吊耳質(zhì)量最輕。根據(jù)經(jīng)驗可得，內(nèi)徑越小，外徑越大，角度越小，厚度越大，吊耳越安全，但是吊耳的內(nèi)徑越大，外徑越小，厚度越薄，質(zhì)量越輕。如何有效地解決這對矛盾呢？
下面以初步設計尺寸為出發(fā)點，利用Workbench中Design Exploration模塊（優(yōu)化設計模塊），探索研究一種最優(yōu)尺寸結(jié)構(gòu)，使吊耳在滿足強度條件的前提下，吊耳質(zhì)量最輕，節(jié)省原材料，降低生產(chǎn)成本。
在Design Exploration模塊中，幾何模型的尺寸設計參數(shù)為內(nèi)徑r，寬度h，角度θ和板厚δ。如圖5所示。
圖5 計算模型
有限元分析計算流程如圖6所示，首先設計計算模型，劃分網(wǎng)格，計算結(jié)果驗證模型的準確性，其次設計優(yōu)化參數(shù)，設定優(yōu)化實驗方案，本課題工做26組實驗，計算相應曲面分析不同參數(shù)對吊耳受力的影響，最后設定多目標優(yōu)化方案，選出最優(yōu)參數(shù)組合，達到優(yōu)化吊耳結(jié)構(gòu)的目的。
圖6 優(yōu)化設計流程圖
計算結(jié)果如圖7所示，由結(jié)果可以看出內(nèi)徑越小，外徑越大，角度越小，厚度越大，吊耳應力越小，這符合理論計算及實際情況。但應力最小時，吊耳尺寸為r=65mm，h=51mm，δ=16mm，θ=65°，質(zhì)量為3.4Kg，初步設計質(zhì)量為4.15Kg，節(jié)約材料18%。此時應力為97.56Mp，比需用應力小的多，因此可以適當提高材料的受力大小，進一步優(yōu)化吊耳結(jié)構(gòu)。
圖7 優(yōu)化設計結(jié)果
二次優(yōu)化設計參數(shù)方法為，在Design Exploration模塊中，保持幾何模型的尺寸參數(shù)不變，新引進吊耳質(zhì)量參數(shù)m，同時將質(zhì)量和吊耳應力設為目標參數(shù)，再重復上次優(yōu)化操作步驟，最終其計算結(jié)果如圖8所示。
展開 我們目前正在進一步擴大研究范圍和規(guī)模，正在探索整個機身部件、整個機翼結(jié)構(gòu)等整機級的拓撲優(yōu)化設計，為挑選一型型號終極優(yōu)化結(jié)果開展相關(guān)研究。因此，拓撲 優(yōu)化設計技術(shù)研究成果將在未來先進戰(zhàn)斗機、大型民用客機、支線飛機、直升機以及各類高推重比航空發(fā)動機等重大武器裝備研制生產(chǎn)中具有重大應用價值和廣闊應用前景。
圖 6 拓撲優(yōu)化技術(shù)在飛機機身結(jié)構(gòu)設計中的探索應用
4 結(jié)束語
將結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法應用于飛機結(jié)構(gòu)布局方案設計過程中，可以獲得最佳的結(jié)構(gòu)形式和材料分布，使結(jié)構(gòu)傳力更加直接和高效，且有效減輕飛機結(jié)構(gòu)重量，提高飛機性能。相對于傳統(tǒng)的設計方法，全新的設計理念幫助設計師們以更快的速度確定性能更高、重量更輕、結(jié)構(gòu)更可靠的布局形式，可為初期階段設計的產(chǎn)品提供清晰的設計思路，減少設計反復。同時，隨著加工制造手段的不斷更新，現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)上已逐步開始使用先進成型工藝技術(shù)如激光電子束成型和激光粉末堆積成型等方法，也為拓撲優(yōu)化設計的產(chǎn)品打開新型制造的窗口，使得飛機整體結(jié)構(gòu)件的設計更為輕巧合理，重量顯著降低，研制的周期大為縮短。
5 參考文獻
[1]張勝蘭,鄭冬黎,等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2007.
[2]李楚琳,張勝蘭,等.HyperWorks分析應用實例[M].機械工業(yè)出版社,2008.
[3]鄧揚晨,張衛(wèi)紅,朱繼宏,等.飛機翼面結(jié)構(gòu)概念設計方法研究[J].航空學報,2003.
[4]劉志強,王明強.基于SIMP拓撲優(yōu)化理論的結(jié)構(gòu)概念設計研究[J].江蘇科技大學學報 2006.
[5] 李金國,等.基于HyperMesh的有限元前置優(yōu)化設計[J].制造業(yè)信息化, 2005.
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展開 圖7 尺寸優(yōu)化結(jié)果
3.6 優(yōu)化結(jié)果對比
依據(jù)尺寸優(yōu)化的結(jié)果重構(gòu)三維模型，如下圖所示，結(jié)構(gòu)差異較大，分別對這兩個結(jié)構(gòu)進行剛度計算。
圖8 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比
圖9 優(yōu)化前后下沉量對比
優(yōu)化前后參數(shù)對比 表1
方案對比
下沉量 mm
斷面面積 mm^2
質(zhì)量 kg
剛質(zhì)比 1000/(mm*kg)
優(yōu)化前
0.95
1939.4
3.4
309.6
優(yōu)化后
0.45
1869.2
3.28
677.5
經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的方案，剛度提升了210%，質(zhì)量減少了3.5%，優(yōu)化后的方案綜合性能提升明顯。
4. 總結(jié)與建議
本案例通過綜合運用拓撲優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化技術(shù)展示了擠出薄壁件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，收到了良好的效果。一般擠出薄壁件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程如下：
1）在滿足工藝以及功能性要求下，將零件分為可設計域和非設計域；
2）應用拓撲優(yōu)化方法，求解出最優(yōu)截面形式；
3）依據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，重構(gòu)三維模型，應用自由尺寸優(yōu)化方法，獲取零件最佳厚度分布區(qū)域；
4）依據(jù)自由尺寸優(yōu)化結(jié)果，將零件離散為一些列均勻的區(qū)域，將這一些列均勻區(qū)域的厚度作為設計變量進行尺寸優(yōu)化，從而獲取截面上各部位精確的厚度；
5）依據(jù)尺寸優(yōu)化優(yōu)化結(jié)果，工藝檢查，重構(gòu)三維模型，校核優(yōu)化后模型的剛強度。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化應用到具體產(chǎn)品上，會有諸多問題需要考慮。
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一、減震塔結(jié)構(gòu)分析
（a）凸面 （b）凹面
圖1 某減震塔3D實體造型
圖1為某減震塔3D實體造型示意圖。鑄件最大輪廓尺寸為
摘要：本課題充分利用Ansys有限元分析的計算優(yōu)勢和VB編程的人性化設計，以立板吊耳為研究對象，旨在探索了一種優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)和提高設計效率的方法。
一 課題背景：
吊耳廣泛應用于工程機械、車間現(xiàn)場和露天施工場地。但是據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，關(guān)于吊耳的設計缺乏標準的設計參考，本課題嘗試利用Ansys和VB探索研究一種吊耳的優(yōu)化設計方法，為生產(chǎn)制造提供一定的參考。
二 思路方法：
根據(jù)理論及經(jīng)驗公式
朱勝利、郭 超、寇延清 第一飛機設計研究院 西安 710089
摘 要： 本文基于Altair公司的優(yōu)化軟件OptiStruct和solidThinking Inspire，對飛機結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化做了對比，結(jié)果表明拓撲優(yōu)化是減輕飛機結(jié)構(gòu)重量、縮短研制周期的有效工具。Altair 公司的拓撲優(yōu)化和增材制造結(jié)合，能有效實現(xiàn)大型整體結(jié)構(gòu)的設計輕量化、
行業(yè)：電子消費品
挑戰(zhàn)：如何優(yōu)化空調(diào)結(jié)構(gòu)和包裝設計
Altair 解決方案：利用RADIOSS碰撞理論進行空 調(diào)器結(jié)構(gòu)、包裝設計
優(yōu)點：節(jié)省材料 ； 結(jié)構(gòu)性能更高效 ； 加快設計周期
背景介紹
海爾集團創(chuàng)立于 1984 年，主要研發(fā)和生產(chǎn)冰箱、空調(diào)、洗衣機、熱水器、彩 電和廚房電器等白色家電。海爾集團“秉承銳意進取的海爾文化
1、原始結(jié)構(gòu)由焊接板組成，作用力為傾斜45度施加，通過對模型分析，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使得模型質(zhì)量不變或更小的情況下承受更大的作用力。
2、在inspire中進行受力分析并優(yōu)化最終模型，并在其他Cad軟件中重新構(gòu)建，最終成型模型更加輕量化，且不再有多個鈑金拼接而成，受力更均勻合理。
傾斜45°力作用在零件，與平臺固定夾角45°，拓撲優(yōu)化零件減輕重量優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
祁宙
1. 前言
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