基于Inspire 的自行車部件輕量化設計方法＊

陳亦天，梁曉娟，沈 敏，陳正楠，吳瑞明

（浙江科技學院機械與能源工程學院，浙江 杭州 310023）

輕量化設計優化問題的實質是零件質量的優化問題，即如何優化3D 模型內部結構，在滿足力學性能要求的前提下，使零件的質量達到一定條件下的極小值[1-3]。

焦洪宇等將輕量化技術運用到機械臂、液壓機等大型機械上[4-5]。而采用拓撲優化技術可以將零件尺寸、形狀優化，以達到零件輕量化的目的[6]。張志飛等[7-8]運用拓撲優化技術對車輛的懸架等進行輕量化多目標優化設計。隨著增材制造技術的不斷發展，采用增材制造技術實現結構優化能最大限度地提升產品結構效率，在機械工業行業被廣泛應用。趙陽等[9-10]將增材制造技術與拓撲優化技術結合起來，生產制造了復雜結構。

Inspire 軟件是一款專業強大的衍生式設計及拓撲優化及快速仿真解決方案，可用于運行結構優化、有限元分析、運動分析和增材制造分析[11]。通過在給定的區域內對材料分布進行優化，從而大大降低成本、減少開發時間和物料消耗并減輕產品質量[12-13]。李陽等[14-15]使用Inspire 軟件對一些常見零件進行優化設計，但目前的研究均為拓撲優化模型后直接自動重構幾何模型。通過實驗發現，自動幾何重構的方法無法實現最大化的輕量設計，并且自動幾何重構的模型會存在網格密集、模型面缺陷等問題。張濤[16]通過調整質量目標并且分別設置安全系數，設計出了較為合理的優化模型，但是減重比例為14.6%。綜上所述，自動幾何重構的方法無法實現較大的零件輕量化，因此手動幾何重構的方法有一定的實際應用價值。

使用Inspire 軟件進行優化分析，根據山地自行車結構部件以及受力情況，使用“分析”功能進行有限元分析，以剛度要求為目標函數、體積厚度大小為約束條件進行拓撲運算，對模型進行手動幾何重構得出輕量化模型。

對輕量化設計的模型進行有限元分析，強度校核結果表明，模型的最大應力為42.56 MPa，小于材料的屈服應力45 MPa，滿足強度要求；輕量化設計后模型的質量為20.976 g，相比原始模型質量減輕了65.77 g（減輕了66.5%），在一定程度上減輕了產品質量、降低了制造成本，具有一定的推廣價值。

1 初始強度分析

使用Inspire 軟件進行初始強度分析，模型的材料為增材制造技術常用的ABS 材料（楊氏模量2 000 MPa、泊松比為0.35、密度為1 060 kg/m3、屈服應力為45 MPa），約束為中間孔位置約束，載荷的情況根據山地自行車結構部件實際情況設置，各部位載荷均為100 N，具體如圖1 所示。基于上述參數，設置單元尺寸為4 mm 進行計算，求得最大應力為18.13 MPa。

圖1 載荷的位置

2 拓撲優化

通過初始強度分析后，使用Inspire 軟件的拓撲優化功能進行結構輕量化設計，具體方法如下：①指定設計空間。該山地自行車結構部件模型由多個零件組成，包括主體部分和安裝部分，如圖2 所示。指定模型的主體部分為設計空間，模型的安裝部分為非設計空間[17-18]。②優化形狀控制設定。對設計空間設定對稱和雙向拔模的優化形狀控制，形狀控制平面作用與XY 平面[19]。③優化參數設置。根據對Inspire 軟件的操作經驗，設置優化目標質量30%，厚度約束最小為9 mm，最大為18 mm。④優化結果研究。為保證拓撲優化后模型的平滑性，勾選平滑結果，并拖動滑條探究優化結果至優化結果相對連續。布爾優化運算得出所述最優質量為19.83 g，即理論最優情況為19.83 g，具體如圖3 所示。

圖2 模型設計空間

圖3 優化結果

3 手動幾何重構

3.1 模型擬合

通過參考文獻[14-16]對前人的研究發現，自動幾何重構的方法存在輕量化減重比例較小及自動生成的網格密集不利于后續進行處理修改的缺點。

因此，研究了一種手動幾何重構的方法解決上述問題，具體方法如下：①通過對比原模型和拓撲優化計算分析過后的模型，找出相應可以減重的地方；使用“剪切”按鈕分離部分，并且刪除“分離部分”，以保證輕量化設計在模型設計空間內，以便于后續手動進行幾何重構處理，具體如圖4 所示。②基于拓撲優化計算結果，在“草圖”中繪制需要鏤空的曲面，再使用“推/拉”按鈕將草圖輪廓拉伸為實體，并采用“布爾運算”得出鏤空實體部分，作為參考實體使用，具體如圖5 所示。上述方法可在一定程度上較大地減輕模型質量，能有效地應對自動幾何重構的第一個缺點。③以步驟②生成的實體作為參考，使用“包覆”和“+/-”按鈕繪制實體塊，具體如圖6 所示。上述方法產生的實體塊相比自動幾何重構生成的實體塊結構較為簡單，且網格較大，有利于后續進行處理修改，能有效地應對自動幾何重構的第二個缺點。④在繪制實體塊的過程中，將實體塊不斷與鏤空結果進行對比，讓實體塊主體位于鏤空結果內，具體如圖7 所示，保證輕量化后的模型接近拓撲優化計算后的結果。⑤使用“銳化”按鈕將實體塊銳化，保證模型的連續性和平滑性，并且有利于后期打印處理，具體如圖8 所示。⑥手動建立的實體塊由于網格結構較為簡單，有利于后期進行推拉處理，模型修正操作簡便；最后“鏡像”后“包覆”兩邊模型，得出完整模型，具體如圖9 所示。

3.2 強度校核

模型手動擬合后，進行初步強度校核，找出超出屈服強度45 MPa 的部分，對實體塊進行調整，選擇受力情況良好（應力為1）的部分進行減重，分別如圖10 和圖11 所示。

通過對實體塊的調整，得出輕量化最終模型，質量為20.967 g。輕量化模型的應力分析如圖12 所示，輕量化模型滿足強度要求。

圖4 模型擬合步驟一

圖5 模型擬合步驟二

圖6 模型擬合步驟三

圖7 模型擬合步驟四

圖8 模型擬合步驟五

圖9 模型擬合步驟六

圖10 需要調整的部分

圖11 可以減重的部分

圖12 最終輕量化結果

4 結語

研究的輕量化模型相比原模型減重比例為33.5%，最終質量為20.967 g；在滿足強度要求的情況下，較大地減輕了模型的質量。

自動擬合的方法雖然操作簡便，但在調大拓撲優化程度的情況下，模型網格的平滑度和網格質量會降低；反之調小拓撲優化程度，模型減重程度有限。

使用手動幾何重構的方法，首先使用基于布爾運算理想情況下的實體作為參考，然后創建實體塊完成輕量化模型實體的創建，最后通過應力分析找出危險截面部分與可進一步輕量化的部分進行最終調整。這種手動幾何重構的方法有利于對模型進行多維度的調節，較大程度上減輕了模型的質量；能有效解決自動幾何重構的2 個缺點，具有一定的推廣價值。