基于SolidThinking的電機安裝座結構優化設計

錢志鵬 邙曉斌 龍 澄 李貝貝 楊永鍵

基于SolidThinking的電機安裝座結構優化設計

錢志鵬 邙曉斌 龍 澄 李貝貝 楊永鍵

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

以K/V雙頻段拋物面掃描天線的電機支架為設計對象，利用SolidThinking Inspire軟件對支架結構進行優化設計，利用有限元軟件ANSYS對優化前后的結構進行仿真計算，驗證其剛度性能。通過仿真結果，驗證了優化的可靠性和有效性，不僅提高了產品機械性能，而且縮短了設計周期。

拓撲優化；懸臂結構；SolidThinking；有限元分析

1 引言

一種K/V雙頻段拋物面掃描天線，其中掃描天線為鋁合金材質的拋面鏡。該拋面鏡安裝在電機支架上，通過步進電機驅動，支架用于支撐驅動電機及其負載。為保證掃描天線形成的微波光路位置精度，設計時需控制負載的旋轉精度及電機安裝座的剛度。

SolidThinking inspire應用Altair OptiStruct求解器，利用了工程上“拓撲優化”技術，獲得最省材料的最佳承力結構。非常適合產品設計初期了解零件內部承力特性，輔助對產品進行設計優化[1～3]。

2 電機安裝座設計背景

本文所涉及的K/V雙頻段拋物面掃描天線如圖1所示，根據其功能需求，拋物鏡需要具備旋轉掃描的動作。該裝置中拋物鏡由步進電機驅動，電機可通過法蘭接口安裝在支架上，并通過驅動軸輸出運動和動力。電機支架安裝通過底面螺釘安裝在底板上，整個裝置處于懸臂狀態。

圖1 雙波段輻射計

由圖1可知，安裝座的剛度影響掃描鏡的掃描精度及形成的光路準確性。在設計電機支架時，需確保其結構剛度。

3 拓撲優化設計

支架的主要負載為驅動機構和拋面鏡的重量。設計時為簡化模型，將重力負載轉化為負載質心位置處一個垂直向下的力，該方法在拓撲優化階段和力學仿真階段都可使用。

3.1 設置設計空間

要執行優化，則必須先定義一個設計空間和一個或多個載荷工況，其中包括載荷和固定約束。設計師通過創建模型的設計邊界作為設計空間，所有SolidThing Inspire優化后的形態都包含在該設計空間中[4]。

多數情況下，需要將載荷和約束施加在設計空間周圍的零件上，以此來準確定義模型。但是，只有設計空間本身才會被優化。設計空間與周圍相連的零件之間視為“焊接”關系，沒有相對滑動。安裝座的初始設計空間定義如圖2所示。

圖2 安裝座設計空間

在圖2中，體特征2作為設計空間，后續進行優化設計。將地面安裝面和電機安裝法蘭面處的實體隔離作為一般的體特征，分別為體1和體3，不作為優化設計空間。

3.2 工況分析及約束、載荷定義

在模型中施加載荷、固定約束和材料等參數，以便設定優化或分析。此外，還可以根據需要施加位移、加速度、溫度、集中質量和形狀控制。

支架主要承載電機及拋面鏡的重力負載。計算負載質量及其質心坐標位置，這里計算的負載質量為10kg，質心位置為法蘭圓心沿軸向偏置50mm。在質心坐標位置創建點特征，并通過連接器功能和法蘭安裝面相連接，如圖3所示。

圖3 負載定義及形狀控制

在質心位置創建的特征點上施加豎直向下100N的力，在體3的底面施加一個6自由度固定的固定約束。

3.3 形狀控制

使用形狀控制對模型施加諸如拔模方向或對稱等可選約束。雖然優化需要載荷和固定約束生成結果，但施加形狀控制能夠實現其他一些需要在優化中達成的設計目標。形狀控制對優化有效，而對分析無效。

根據形狀控制的需求，對設計空間上施加對稱約束和拔模約束。在設計空間中經過法蘭圓心、平行于平面的平面上施加對稱約束，在設計空間的底面上施加向上拔模約束，其約束效果如圖3所示。

根據模型的復雜程度，優化過程可能花費數分鐘到數小時。當優化完成后，可以使用形狀探索器交互查看所生成形狀的結果模型。

3.4 優化求解

拓撲優化施加完約束載荷后，設置其優化目標，設置其目標質量為30%。根據實際加工材料需求，模型中的3個體的材料都采用鋁（6061）。根據之前的優化設置，運行后得到優化結果，優化后的概念創意設計如圖4左圖所示。采用形狀探索器中的自適應功能對剛結算完的拓撲優化模型進行平滑處理，得到結果如圖4右圖所示。

圖4 拓撲優化結果

根據SolidThinking inspire優化后得到的概念模型，結合連接孔及減重腔需求，以及對零件的制造工藝性分析，綜合考慮進行結構設計，得到的設計模型如圖5所示，其質量為0.83kg。

圖5 結構設計

4 有限元分析

4.1 有限元模型

采用ANSYS對支架進行四面體網格（solid185）劃分，設置5mm的網格單元自動劃分。該支架材料為鋁（6061），彈性模量=68，泊松比為0.33，密度為2.7×10-6kg/mm3，屈服強度為241MPa，抗拉強度為275MPa。以下對經驗設計結構和優化后的設計結構模型進行靜力學仿真對比[5]。

4.2 經驗模型靜力學分析

根據接口要求及設計師設計經驗可設計支架結構如圖6所示，所設計的結構質量為0.92kg。

圖6 經驗設計的機構模型

根據上文的工況分析，在負載質心位置創建節點，并與支架的法蘭接觸面和內圓柱面創建1D連接，連接單元為剛性單元（MPC184），KEYOPT屬性設置為剛性連桿，KEYOPT縮減法設置為拉格朗日乘數，得到有限元仿真模型如圖7所示。

圖7 約束邊界及載荷

圖8 經驗設計結構的變形云圖

在質心位置節點上施加100N豎直向下的力。為簡化仿真模型，將支架底部的螺紋連接的約束用底面所有節點的全自由度約束來替代。通過上述設置對電機支架進行靜力學分析，得到的變形與應力云圖分別如圖8、圖9所示。

圖9 經驗設計結構的應力云圖

由圖8和圖9可知，支架結構最大變形處位于最上部，最大位移為0.054mm。最大應力處位于支架的中部，最大應力為3.8MPa。

4.3 拓撲優化模型靜力學分析

根據拓撲優化的結果設計出支架結構，利用ANSYS求解器對支架進行有限元靜力學分析，得到模型的變形與應力云圖如圖10、圖11所示。

圖10 優化結構的變形云圖

圖11 優化結構的應力云圖

由圖10和圖11可知，最大支架結構最大變形處位于最上部，最大位移為0.028mm。最大應力處位于支架的中部的加強筋上，最大應力為4.5MPa。計算結果表明，經過SolidThinking inspire軟件優化后設計的電機支架在同等工況下，支架的剛度提升，且設計的支架質量降低，實現結構的輕量化設計。

5 結束語

以K/V雙頻段拋物面掃描天線得電機支架為設計對象，利用SolidThinking Inspire軟件對支架結構進行優化設計。

根據拓撲優化的結構，再結合工藝性，重新設計了支架。利用有限元軟件ANSYS對優化前后的結構進行仿真計算，結果表明，優化后的結構質量小，且剛度提升。

通過SolidThinking inspire軟件隊對電機支架的分析，可得到較為合理的結構布局，科學輔助進行結構設計。使得結構輕量化設計的過程有了仿真依據，而且提高了工作效率。

1 高文杰，翁明盛，廖洪波，等. 基于SolidThinking Inspire的汽車板簧支架優化設計[J]. 機械，2015(6)：27～30，59

2 常亮，葉飛，袁正. 基于Solidthinking-Inspire的叉車轉向橋橋體設計[J]. CAD/CAM與制造業信息化，2013(7)：57～59

3 李陽，高常青，楊波，等. 基于SolidThinking Inspire的水平鉆機機架設計[J]. 現代制造技術與裝備，2018(3)：6～9

4 張克鵬. 基于HyperWorks的車輛板簧支架優化設計[J]. 專用汽車，2014(2)：74～77

5 王利鶴，趙永來，崔紅梅，等. 基于ANSYS Workbench的深松機機架靜力學分析及輕量化設計[J]. 重慶理工大學學報（自然科學），2019(2)：87～93

Optimization Design of Motor Base Based on SolidThinking Inspire

Qian Zhipeng Mang Xiaobin Long Deng Li Beibei Yang Yongjian

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

Taking the motor base on the K/Vdual-band scanning antenna as the design object, the paper optimizes the design of the support structure using SolidThinking Inspire and analyzes the rigidity of the mechanical structure using ANSYS. The reliability and validity of optimization has been proved by the result of simulation. This optimal design improves the mechanical characteristic and shortens the design cycle.

topology；cantilever；SolidThinking；finite element analysis

錢志鵬（1990），碩士，機械工程專業；研究方向：載荷系統結構設計。

2020-04-02