基于SolidThinking Inspire的水平鉆機機架設計

李 陽 高常青 楊 波 徐征和 張治暉

（1.濟南大學 機械工程學院，濟南 250022；2.濟南大學 資源與環境學院，濟南 250022；3.北京中水科工程總公司，北京 100000）

SolidThinking Inspire是一款為機械設計師打造的計算機輔助工業設計/造型軟件。該軟件應用了Altair Optistruct求解器，利用了拓撲優化技術，使得通過該軟件的優化最終可以獲得最省材料的結構。Inspire軟件擁有良好的拓撲優化功能和優化效果，界面簡潔，易學易用，可以讓人們從結構的經驗化設計逐步轉向簡單可靠的拓撲優化設計[1]。

1 拓撲優化

拓撲優化（Topology Optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的設計方法，拓撲優化屬于結構優化的一個子類別。拓撲優化是以材料分布作為優化對象，通過該優化方法，人們可以在均勻分布材料的設計空間中找到最合理的材料分布方案。

由此可見，拓撲優化相比其他結構優化類別，具有更多的設計自由度，拓撲優化可以獲得更大的設計空間，是結構優化中最具發展前景的一個方向。

2 拓撲優化的商用軟件

目前，在連續體上拓撲優化的研究已經比較成熟。在拓撲優化的優化方法中，變密度法目前已被應用到商用優化軟件中。在這些拓撲優化的商用軟件中，最著名的軟件是美國Altair公司Hyperworks系列軟件中的Optistruct軟件和德國Fe-design公司的Tosca軟件。前者能夠采用Hypermesh作為該軟件的前處理器，Optistruct軟件在各大行業中都有著比較廣泛的應用；后者Tosca優化軟件最初只是集中于優化設計方面，支持全部的主流求解器，操作起來十分便捷。其間，人們可以利用熟悉的CAE軟件來執行前處理加載，之后利用Tosca軟件來進行優化，十分便捷。近年來，德國Fe-design公司通過和Ansa聯盟，開發了基于Ansa的前處理器和Tosca Gui界面，以及ansys workbench軟件中的ACT插件，它可以直接在workbench軟件中進行拓撲優化仿真。此外，由于Ansys軟件中的命令比較豐富，國內有不少人采用Ansys自編拓撲優化程序。

但是，SolidThinking Inspire軟件界面更為簡潔，其算法與市面上的拓撲優化算法相比也毫不遜色，初學者極易上手，并且該軟件能結合工藝性，優化出結構更為合理且具有良好工藝性的結構。所以，本文選擇SolidThinking Inspire作為拓撲優化的軟件。

3 水平鉆機機架設計背景

現有水平鉆機的主流機架配套的是只具有旋轉功能的液壓水平鉆機。隨著技術的發展，為了提高水平鉆機鉆進效率，人們在鉆機的旋轉功能之上增加了沖擊功能。在此情況下，水平鉆機機架所受到的力除了鉆機的行程油缸給的推力之外，還受到活塞給其的反作用力。故通過比較容易得知，水平鉆機機架比之過去所受到的力更大，所以水平鉆機機架剛度要求也變得更加嚴格[2]。人們必須增大其剛度，在合理的情況下，要減小用于增加剛度機構的質量以便降低成本，實現輕量化設計。因此，在工程設計初期，人們有必要對其進行高剛度、低質量的優化設計。本次優化設計采用SolidThinking Inspire軟件進行結構優化，然后采用CAD軟件進行重新建模，最后采用CAE軟件進行計算分析[3]。

4 水平鉆機機架優化設計

4.1 設計空間定義

設計空間指需要優化的初始結構。在設計優化過程中，人們不會改變非設計空間的結構。拓撲優化設計會刪減掉設計空間中材料的冗余部分，使得設計空間內的結構以最小的質量獲得所需要的最好力學性能。通過拓撲優化會充分挖掘設計空間內的優化潛力，在保證約束和載荷能夠有效地傳遞到結構上的同時，滿足結構的工藝性等要求[4]。

根據該水平鉆機機架與水平鉆機的安裝要求，以及其工作放置環境，為了滿足機架后部弧形內壁一側固定行程油缸的工藝性需求，滿足水平鉆機前進的空間特征需求，本文創建了如圖1所示的初始鉆機機架和設計空間。

圖1中紅色部分為設計空間，灰色為非設計空間。圖中機架外部兩側是用來安裝前支撐油缸的“掛耳”從而實現支撐功能。整個灰色機架是最初設計時的“毛坯件”。設計空間與后端的弧形內壁留出一段空間，從而滿足行程

圖1 初始鉆機機架和設計空間

4.2 約束與載荷

水平鉆機機架需要通過后端弧形壁和前端兩側掛耳連接液壓缸，通過豎直向上的摩擦力支撐在井壁上，其載荷計算系數如表1所示。

表1 載荷計算系數表

故液壓缸壓力F可由式（1）計算得出：

式中，g為重力加速度，取9.8N/kg。

由式（1）計算可得，單側液壓缸的壓力約為32kN，其施加載荷的方式如圖2所示。

4.3 形狀控制

經過拓撲優化后，機架可以滿足工況需求，但是拓撲優化會明顯增加機架的工藝難度，使得工藝難以完成。這樣做出的零件也是沒有意義的。SolidThinking Inspire軟件增加了模塊控制功能，通過模擬現實的工藝，使拓撲優化與實際生產聯系起來[5]。而目前的設計空間明顯是基于該設計空間自身的三個中心水平面對稱的。故需要添加水平對稱空間的三個對稱面，如圖3所示。油缸安裝和拆卸的工藝性要求。

圖2 約束與載荷加載

圖3 形狀控制

4.4 優化及模型重建

在SolidThinking Inspire軟件的“優化”模塊中設置優化參數。優化目標質量設為30%。這里優化目標質量是指優化后的質量占之前未優化的百分比。最小成型尺寸選為5mm，材料選用系統默認材料。因為所需分析的材料都是均勻分布的，質量目標必須提前確定，所以該拓撲優化便與材料的屬性無關。力學性能是否合適可通過最后的有限元仿真分析環節來確定[6]。通過運行該優化，人們可以得出更加優化的材料分布情況，如圖4所示，之后便可以根據如圖4所示的優化結構進行再設計，使得設計不再依據以往的經驗。雖然人們還是會進行三維設計，但拓撲優化分析的結果可以使設計環節更加具有理論依據。

通過該軟件導出stl模型作為三位模型重建的參考，如圖5所示。通過將stl格式的模型導入CAD軟件中進行模型重建，人們可以得到根據優化結果重建的幾何模型，如圖6所示。

圖5 stl格式的優化結果

圖4 優化結果

圖6 模型重建結果

5 結果論證

在機構重新建模再設計環節，人們可以設計出零件的模型，但是不知道該零件的力學性能是否良好，故還需要通過有限元分析軟件對重新建模出來的結構進行結構靜應力分析，以確保該結構具有必要的承載能力，一般要求結構產生的靜應力不大于材料的許用應力和屈服應力，使得結構的變形處于彈性范圍內[7]。這里選取的是ANSYS Workbench有限元分析軟件。

該水平鉆機機架材為Q235A，具體參數如表1所示。應力加載按照表1所示工況加載，最終可得云圖如圖7～圖10所示。

表2 材料參數

圖7 應變云圖

由圖7應變云圖可以看出，其應變普遍比較小，都在鉆機機架的可承受范圍之內。

圖8 安全系數云圖

由圖8安全系數云圖可以看出，其整個機架都在最大安全系數值上，整個機架是安全可靠的。

圖9 應力云圖

由圖9應力云圖可以看出，機架所受的應力都在其可承受范圍之內，沒有超過屈服極限。

圖10 位移云圖

由圖10位移云圖可以看出，整個機架的位移量在可接受范圍之內。

由該組云圖結果可以看出，優化之后的水平鉆機支架的強度、剛度等特性均符合要求，安全可靠，不會產生過大的位移量，通過拓撲優化分析使其布局良好。

6 結論

通過SolidThinking Inspire軟件的優化設計，人們可以有效地實現輕量化設計，使得優化設計在滿足工藝性的基礎上更加有據可依、有理可依。在該優化中通過設置優化模型的參數和約束，可以實現模型優化與工藝性的統一[8-9]。SolidThinking Inspire軟件將Altair公司將Optistruct求解器進行隱式化處理，操作界面更加簡潔，使得初學者更容易上手，它是結構設計工程師的一個得力助手。

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