基于山地自行車支架的拓撲優化設計與3D打印

陳福德，孟凡召

（1.山東華宇工學院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設計工程技術研發中心，山東 德州 253034）

引言

隨著工業現代化的發展，輕量化設計已經成為一種趨勢。拓撲優化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數學方法，是實現結構輕量化的重要手段。但結構造型復雜，傳統制造工藝難以加工。利用3D打印技術可快速地將設計轉變成實物，而不需要考慮加工條件等因素的影響，極大地縮短了產品開發周期，降低制造成本，提高設計質量和市場競爭力[1-2]。拓撲優化與3D打印技術的融合是制造技術發展的必然，也是企業進行產品創新的重要方向[3]。

1 產品結構

山地自行車支架結構如圖1，主要載荷來自減震器端和車架連接端，中間的孔為安裝孔，使用約束來表征安裝孔的固定情況。中間孔位置約束，其他位置孔承受載荷：位置1：X正方向100 N，位置2：X正方向100 N，位置3：Z正方向100 N，位置4：Z負方向100 N，位置5：Y正方向100 N，位置6：Y正方向100 N。

圖1 山地自行車支架結構圖

2 輕量化設計

2.1 初始強度分析

設定模型分析材料為ABS，楊氏模量2 000 MPa，泊松比0.35，密度1 060 kg/m3，屈服應力45 MPa，根據要求添加外部載荷條件，并進行初始強度分析，設置分析單元尺寸為1 mm，計算速度/精度選擇“更準確”，單一載荷工況分析。分析結果：最大米塞斯等效應力12.20 MPa（如圖2），最大位移0.689 4 mm（如圖3），最小安全系數3.7（如圖4）。

圖2 應力

圖3 位移

圖4 安全系數

2.2 拓撲優化

指定支架主體部分為設計空間，其余連接部分為非設計空間。對設計空間設定擠出的優化形狀控制，形狀控制平面作用于XY平面，設置優化目標質量30%，厚度約束4 mm。優化結果探究，保持平滑結果勾選，拖動滑條探究優化結果至優化結果連續，如圖5所示。

圖5 拓撲優化

2.3 幾何重構

使用擬合Poly NURBS工具對優化結果進行自動擬合，通過拖拽控制點的方式調整自動擬合的優化結果，使其與非設計空間相交。使用布爾運算工具對優化重構結果和非設計空間進行幾何相交，形成單一的實體三維模型。使用圓角工具處理重構結果與非設計空間之間的銜接，獲得最終的輕量化設計結果，如圖6所示。

圖6 幾何重構

2.4 強度校核

對輕量化設計結果進行強度校核，分析結果如圖5所示：最大米塞斯等效應力11.38 MPa（如圖7），最大位移0.493 5 mm（如圖8），最小安全系數4（如圖9）。強度不超過材料的屈服應力，滿足實際的強度需求。

圖7 應力

圖8 位移

圖9 安全系數

3 3D打印

根據原始模型.stl文件，結合強度分析結果，使用UP Studio3.0軟件，完成原始模型的3D打印。打印機型號UP300，噴頭直徑0.4 mm，材料ABS，設置打印方向，采用動態層厚，層厚設置為0.1 mm，最大層厚0.3 mm，路徑參數輪廓為3，填充密度70%，支撐密度20%，填充路徑為ZigZag，填充角度45°，打印速度為fine，完成模型打印（如圖10、圖11）。

圖10 原始模型打印

圖11 優化打印模型

以優化前模型作為主模型，優化后模型為子模型，導入主模型，將子模型導入主模型內部，確定打印方向，主、子模型分別設置層厚，采用動態層厚，層厚設置0.1 mm，最大層厚0.3 mm，其他參數同上，完成模型打印（如圖12、圖13所示）。

圖12 分層參數設置

圖13 最終打印模型

4 結語

支架在優化前重量為65.77 g，優化后重量為26.97 g，進行輕量化設計實現了59%的減重，支架的最大米塞斯等效應力11.38 MPa，最小安全系數4，強度不超過材料的屈服應力，滿足實際的強度需求。利用優化設計軟件對模型進行輕量化設計，通過設置動態層厚，在滿足模型的力學性能要求，降低了制造成本，提高了打印效率。