Solidthinking-Inspire在機械產品升級優(yōu)化中的應用

鐘繼萍，陳春梅，常　亮

（1.安徽合力股份有限公司，安徽 合肥230000；2.工業(yè)車輛安徽省重點實驗室，安微 合肥230000）

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Solidthinking-Inspire在機械產品升級優(yōu)化中的應用

鐘繼萍1，陳春梅1，常亮2

（1.安徽合力股份有限公司，安徽 合肥230000；2.工業(yè)車輛安徽省重點實驗室，安微 合肥230000）

摘要:本文以某油缸支座改進設計過程為例，借助于Altair公司的Solidthinking-Inspire軟件，詳細闡述了軟件在產品改進設計過程中發(fā)揮的作用，結果表明：在設計出最優(yōu)的產品的同時能有效的提高設計效率。

關鍵詞：產品升級，優(yōu)化，Inspire

在對現有機械產品進行改進設計時，產品設計工程師容易受現有產品結構的束縛，形成思維定式，難以進行創(chuàng)新。而這幾年蓬勃發(fā)展的拓撲優(yōu)化技術恰恰可以幫助設計人員產生新的設計靈感，幫助他們掌握正確的設計方向。然而掌握拓撲優(yōu)化技術，需要一定的力學、CAE等方面的理論知識，在企業(yè)中，這項工作往往由CAE工程師在CAE平臺來完成。這樣，一次完整的優(yōu)化流程需要產品設計工程師在CAD平臺完成設計后，由CAE工程師導入CAE平臺進行分析優(yōu)化，之后再反饋優(yōu)化結果到產品設計工程師在CAD平臺進行改進設計。溝通不暢、互相專業(yè)領域的不了解、跨CAD-CAE平臺間頻繁的模型切換的不暢等因素實際上影響了拓撲優(yōu)化技術應用的更加普及。

Altair作為CAE行業(yè)中一個優(yōu)秀的軟件供應商，提出了“以仿真驅動設計”的理念，以先進的OptiStruct優(yōu)化求解器為基礎，將優(yōu)化的功能提到設計流程前端，開發(fā)了概念階段優(yōu)化和分析軟件Solidthinking-Inspire。

1　Solidthinking-Inspire軟件簡介

Solidthinking-Inspire顛覆性的將三位建模，結構仿真，拓撲優(yōu)化技術集合到了一個軟件平臺下，它有以下特點：

（1）專為產品設計工程師量身定制，它不像大型的CAE軟件有大量的菜單，界面簡單易懂，具有親和力。

（2）軟件使用操作簡單，容易理解，界面及幫助有中文版本，不像大型的CAE軟件多為英文版本，方便英文基礎較差的工程師使用。

（3）淡化CAE知識，不需要任何CAE背景知識，只需對產品設計有一定的了解，即可通過軟件進行優(yōu)化設計，來獲得和判定優(yōu)質的結構。

2　Solidthinking-Inspire在油缸支座改進設計中的應用

基于Solidthinking-Inspire軟件強大的建模，分析及優(yōu)化功能，我們以一個油缸支座的改進設計為例，來看看Solidthinking-Inspire如何應用到機械產品升級優(yōu)化中：

2.1靜強度分析

某款油缸支座原為焊接結構（圖1所示），原結構由兩塊豎板，一塊彎板，一塊筋板焊接而成，焊接結構重32.35 kg，隨著部件的改進升級計劃改為鑄鋼結構，設計人員需要設計出一個新的鑄鋼結構油缸支座，要求相比原始結構更輕，更耐用。首先將原焊接結構導入Solidthinking-Inspire進行靜強度分析。

圖1　油缸支座原焊接結構

通過結構仿真模塊，快速的定義材料屬性，載荷、約束等邊界條件，單元大小后即可點擊分析進行靜強度分析。之后就可以查看位移，安全系數，米塞斯等效應力等結果，可以看出結構最大應力205 Mpa（如圖2所示）。

圖2　應力分布云圖

2.2幾何體簡化

幾何體簡化功能能直接在Solidthinking?Inspire軟件中對原始模型進行修改，避免了跨平臺的軟件切換引起的不便，它只需簡單操作就可以實現查找和刪除凹坑、孔，查找和刪除圓角和倒角，推/拉面等功能。大大節(jié)省了更改模型的時間。

以本文中的油缸支座為例，點擊簡化幾何體中的孔功能，如圖3所示，軟件自動搜索模型中的孔洞并紅色高亮顯示，并可以通過調整搜索容差進行搜索，也可以手動將高亮顯示的孔中不需要刪除的去除，之后點擊刪除按鈕，軟件即自動將一些不需要的孔去除。

圖3　自動去除孔及凹坑

同樣的操作方法，軟件也可以自動去除圓角、倒角。如圖4所示。

圖4　自動去除圓角及倒角

這樣就得到一個簡化完成的幾何體，用于后面的優(yōu)化工作。

2.3拓撲優(yōu)化

2.3.1定義設計空間與非設計空間

所謂設計空間就是優(yōu)化前的初始結構，通過優(yōu)化計算，挖掉設計空間中的多余部分，所剩部分構成的形狀被認為是結構優(yōu)化的結果。非設計空間即不希望優(yōu)化軟件進行材料去除的區(qū)域，一般為邊界條件加載位置及與其他部件的連接位置，本項目中直接將油缸支座的加載孔位置和周圍的約束位置分離出來作為非設計空間。

接下來通過之前的靜強度分析結果及油缸支座的成型、安裝方式等因素來調整設計空間：分析結果顯示支撐油缸豎板根部應力較大，但由于豎板受安裝限制不能改動過大，因此將筋板與彎板連接處填實來尋找最佳的材料分布；為了尋找筋板的最佳布局將筋板拉伸到兩端。并將上述部分設為設計空間，如圖5所示，紅色為設計空間。

圖5　設計空間及非設計空間

2.3.2定義邊界條件及形狀控制

載荷和約束與之前進行靜強度分析時的相同，由于采用同一個軟件，邊界條件直接繼承了之前的分析，這里并不需要重新定義。

由于采用鑄鋼結構，為方便鑄造工作中拔模，形狀控制設置雙向拔模。

2.3.3拓撲優(yōu)化

點擊優(yōu)化，設置優(yōu)化目標為剛度最大，質量目標為設計空間的30%，之后運行優(yōu)化。

優(yōu)化完成的結果如圖6所示。從優(yōu)化結果可以看出，豎板和彎板連接位置材料布置對結構受力貢獻很大，而筋板在兩側布置效果最好。

圖6　優(yōu)化結果

2.4模型再設計

根據前面的優(yōu)化結果，在CAD軟件中重新設計了新的油缸支座，主要改動包括：改小了彎板的厚度，在豎板和彎板連接處增加了材料；筋板調整到兩側。改進后的模型如圖7所示，新結構重29.62 kg.

圖7　新設計的油缸支座

2.5結果評價

為了驗證新結構是否優(yōu)于老結構，再次將新結構導入Solidthinking-Inspire中，如前文所述再次進行靜強度計算，計算結果如圖8所示，新結構最大應力僅為92 Mpa.

圖8　新油缸支座應力云圖

3　結束語

通過運用Solidthinking-Inspire軟件對油缸支座進行了優(yōu)化及改進設計，一方面模型的分析，簡化，優(yōu)化整個過程均在Solidthinking-Inspire軟件中完成，避免了軟件的切換，大大提高了設計效率，另一方面新結構相比老結構得到了很大的優(yōu)化，重量減少了2.73 kg，同時應力減少了113 Mpa.

參考文獻：

[1]Solidthinking-Inspire2015，設計工程師必修教程.

[2]常亮.基于Solidthinking-Inspire的叉車轉向橋橋體設計[C].合肥，CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2013，（7）.

[3]黃宗信.CAD工程師應用Solidthinking優(yōu)化產品設計[C].臺中，Altair 2013 HyperWorks技術大會論文集，2013.

中圖分類號：U463.32

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0270-03

收稿日期：2016-01-10

作者簡介：鐘繼萍（1963-），女，安徽銅陵人，高級工程師，研究方向：叉車結構設計。

The Application of Solidthinking-Inspire in the Optimization of Mechanical Products

ZHONG Ji-ping1，CHEN Chun-mei1，CHANG liang2
（1 Anhui joint Limited by Share Ltd，Hefei Anhui 230000，China；2 Key Laboratory of industrial vehicles，Anhui Hefei 230000，China）

Abstract：This paper takes a cylinder support improved design process as an example，With the help of Altair’s software-Solidthinking-Inspire，it is described in detail that software plays a role in the product improvement design.The results showed that use of the software can help design best product and effectively improve design efficiency.

Key words:product promotion；optimization；inspire