摩托車連接件的輕量化設計與3D打印制造

張敬軒，安芬菊，徐高圣，熊馮瑞，涂桂根，楊泳彬

（廣東海洋大學 機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088）

0 引言

隨著輕量化設計技術和3D打印制造技術的發展，現已逐步延伸并應用在機械零件、工具、航空航天、建筑等重要領域。輕量化設計的主要目的就是在滿足原來的約束、載荷等前提下，有效合理地減少耗材、減輕自身質量，并滿足零件的功能性、安全性及耐用性。Altair inspire軟件對零件進行輕量化設計是采用仿真驅動的設計方法，即在傳統設計方案流程的初期就進行優化設計，并有效地幫助設計者在滿足零部件功能的同時降低耗材，提高產品的質量[1]。由于輕量化設計的零件多呈網格化或者蜂窩狀的結構，這種零件結構具有抗壓性強、抗沖擊力強、吸能性能高等特點[2]，同時具有傳統機械加工加工工藝繁雜或難以加工的問題。為了解決這一問題，以摩托車連接件為例，分別選擇“最大剛度”、“增加至最大頻率”、“最小質量”為設計目標，對摩托車連接件進行輕量化設計，比較分析得到效能較優的結構，最后通過3D打印制造技術對零部件進行打印[3]。

1 摩托車連接件的輕量化設計

選擇摩托車結構部件中的連接件作為輕量化設計的研究對象，在下文中統一簡稱摩托車連接件。該摩托車連接件主要用來連接摩托車的減震器、支架和摩托車部件。摩托車連接件的約束使用慣性釋放。摩托車連接件具體受力的位置和載荷大小情況如圖1所示。其中：位置1為350 N，平行于XZ平面，與Z負方向夾角為45°；位置2為350 N，平行于XZ平面，與Z負方向夾角為45°；位 置3 為1350 N，平行于XZ平面，與Z正方向夾角45°，作用點為兩孔連接中心位置。位置4為X負方向900 N，作用點為兩孔連接中心位置。

圖1 摩托車連接件受力位置和載荷大小圖

摩托車連接件的材料為工程塑料ABS（彈性模量為2000 MPa、泊松比為0.35 、密度為1060 kg/m3、屈服應力為45 MPa）。

輕量化設計中的拓撲優化是將設計空間的材料和形狀進行數學優化的一種方法，即在確定負載情況、約束條件和性能指標的情況下，將材料的分布優化到效能最優的狀態。拓撲優化的研究對象通常有2種，分別是連續體結構和離散體結構[4]。連續拓撲優化的實質就是0～1離散變量的組合。對于摩托車連接件的結構優化，使用結構體優化的方法。結構體優化的方法有多種數學建模的方法，其中使用最廣泛的就是變密度法。變密度法不用直接引入真實材料的微機構和附加均勻化的求解，因此優化的效率較高[5]。本次的輕量化設計基于Altair Inspire軟件的求解器OptiStruct，它基于變密度法中的SIMP法有效地建立拓撲優化的數學模型[6]。下面利用拓撲優化的方法對摩托車連接件進行不同設計目標（最大剛度、增加至最大頻率、最小質量）的方案設計，并分析哪種方案效能最優。

1.1 指定設計空間

結合Altair Inspire軟件對摩托車連接件進行拓撲優化時利用變密度法的SIMP的插值模型。第一步將模型導入Altair Inspire，劃分設計空間和非設計空間。將受載荷的部分作為非設計空間，連接件的形狀結構作為設計空間，作為拓撲優化的主要設計部分。在實際情況下的總體設計要求為，最大變形位移小于1.2 mm，安全系數大于1.2。

1.2 優化前的強度分析評估

確定設計空間和非設計空間后，第二步確定連接件的材料，設置性能參數并施加載荷受力情況。連接件的載荷工況施加完成之后，由于連接件主要是受外力的作用，所以對其連接件結構抵抗變形的能力（即強度）很有研究的意義，以便有效地防止連接件發生振動、顫振或失效。所以第三步對連接件的強度（包括位移、安全系數、米塞斯等效應力）進行分析評估。連接件初始條件剛度分析如圖2所示。

圖2 連接件初始條件剛度分析

運用Altair Inspire軟件的Optistruct分析得到的初始摩托車連接件的強度情況如下，原始摩托車連接件的質量為258.5 g。初始條件下最大位移為0.1488 mm。摩托車連接件中呈現結構安全程度的最小安全系數為2.8。最大米塞斯等效應力為16.23 MPa。

1.3 不同設計目標的優化

1.3.1 目標為最大剛度的優化

剛度是衡量力學結構的重要指標，目標為最大剛度的拓撲優化設計是以結構的外主力做功和支撐反力做功之差為目標函數，將這個目標函數最小化得到零件的最大剛度設計結果。利用這個計算原理，再以質量和厚度作為最大剛度設計的約束條件，得到最大剛度優化的結構后，進一步對設計后的結構進行強度分析評估（如圖3）。

圖3 最大剛度優化強度分析

摩托車連接件經過最大剛度優化設計后的結果如下：質量為77.16 g，對優化之前減少181.34 g，有效減重70.15%，材料減重明顯；最大米塞斯等效應力下降1.39 MPa；由于減少材料，最大形變位移增加0.3495 mm。最小安全系數提升0.2，滿足設計要求，達到最大剛度優化的目的。具體優化值在下文表1中列出。

1.3.2 目標為增加至最大頻率的優化摩托車連接件的動態性能主要是振動特性決定，動態特性的參數一般是振幅、頻率、相位。影響連接件動態性能的主要因素是激勵與結構，外部載荷是激勵，外部載荷主要影響振幅，結構則決定頻率。為了優化連接件的動態特性，對連接件進行增加至最大頻率的優化。優化結構結束后，對優化后的結構進行強度評估分析（如圖4）。

圖4 增加至最大頻率優化剛度分析

摩托車連接件經過增加至最大頻率的優化后的結果如下：質量為217.1 g，對優化之前減少41.4 g，有效減重16.02%。材料減輕之后，最大米塞斯等效應力下降1.74 MPa；由于減少材料，最大形變位移增加0.0836 mm。最小安全系數提升0.3，達到增加至最大頻率優化的目的。具體優化值在表1中列出。

1.3.3 目標為最小質量的優化

拓撲優化目標為最小質量優化，是在一定載荷工況不變的條件下，以厚度為約束條件，對連接件進行最小質量優化設計。優化結構結束后，對優化后的結構進行強度評估分析（如圖5）。

圖5 最小質量優化強度分析

摩托車連接件經過最小質量優化設計后的結果如下：質量為99.67 g，對優化之前減少158.83 g，有效減重61.44%。材料減輕之后，最大米塞斯等效應力上升15.85 MPa；明顯看出最小質量優化設計，在載荷受力的位置有效合理的分布結構，受載荷位置的應力都明顯增加，強度更高。但是由于材料減少61.44%，最大形變位移增加0.5196 mm，最小安全系數下降1.4。滿足設計要求，達到最小質量優化的目的。具體優化值在表1中列出。

1.3.4 討論分析

經過對摩托車連接件在一定載荷工況下，分別進行不同的設計目標即最大剛度設計、增加至最大頻率設計、最小質量設計的拓撲優化，得到拓撲優化不同目標設計下的強度分析對比表（如表1）。對于摩托車連接件的工況和連接件本身結構性能需求來說，最大剛度優化質量為77.16 g，對優化之前減少181.34 g，有效減重70.15%，材料減輕之后，最大米塞斯等效應力有微小下降，同時最小安全系數相對于優化前的提升0.2；對于增加至最大頻率優化設計，質量減重不是很明顯，但是最小安全系數是3種設計目標中最大的。最小質量設計優化后實現減小自身質量61.44%的同時，最大米塞斯等效應力有升高，這是因為內部結構的優化實現的，優化后安全系數為1.4，相對于初始條件安全系數下降1.4。最小質量優化與最大剛度優化對比來看，很明顯對于摩托車連接件的載荷工況和自身結構來說，最大剛度輕量化設計效能最高，最終選擇最大剛度優化為目標設計是較為合理的優化方案。

表1 拓撲優化不同目標設計下的強度分析對比表

2 摩托車連接件的3D打印制作

本次實驗最終得出目標為最大剛度設計的摩托車連接件效能最高，以優化后的模型為前提，利用UP Studio 3.0為3D打印模型的數據分析處理軟件，使用太爾時代UP300 3DFDM熔融打印機設備分別打印優化前后的摩托車連接件。在打印前首先將優化后的零件使用Altair Inspire 中的polyNURBS 進行進一步的優化，最后將模型導出（如圖6）。

圖6 優化后模型

打印之前，首先確定好打印方向，然后選擇合理的3D打印工藝參數，為了保證打印的摩托車連接件模型在受載荷的部位有更高的強度，可以在主模型中設計子模型的辦法保證，即子模型采用100%的填充率，其他部位采用20%的填充率，這樣不僅可以節約材料，還可以提高內部的強度。打印完成并進行后處理，得到優化后的連接件實物模型打印結果如圖7所示。

圖7 3D打印實物

3 結語

通過對摩托車連接件在同一載荷工況下，利用Altair inspire拓撲優化的方法進行3種設計目標的優化設計，得出摩托車連接件不是隨著使用材料越多就越合理。通過合理的設計方案和設計目標，不僅僅可以提高原來摩托車連接件效能，同時實現輕量化設計。因此在設計零件時有效合理的輕量化設計，結合3D打印技術可以有效地提高零件的效能。