撰文/安徽合力股份有限公司 鐘繼萍 陳春梅工業(yè)車輛安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ?！×?/p>

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Solidthinking-Inspire在機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)優(yōu)化中的應(yīng)用

撰文/安徽合力股份有限公司 鐘繼萍 陳春梅
工業(yè)車輛安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 常亮

本文以某油缸支座改進(jìn)設(shè)計(jì)過程為例，借助于Altair公司的Solidthinking-Inspire軟件，詳細(xì)闡述了軟件在產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮的作用，結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)出最優(yōu)的產(chǎn)品的同時(shí)能有效的提高設(shè)計(jì)效率。

一、引言

在對(duì)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師容易受現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的束縛，形成思維定式，難以進(jìn)行創(chuàng)新。而這幾年蓬勃發(fā)展的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)恰恰可以幫助設(shè)計(jì)人員找到新的設(shè)計(jì)靈感，幫助他們掌握正確的設(shè)計(jì)方向。然而掌握拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，需要一定的力學(xué)、CAE等方面的理論知識(shí)，在企業(yè)中，這項(xiàng)工作往往由CAE工程師在CAE平臺(tái)來完成。這樣，一次完整的優(yōu)化流程需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師在CAD平臺(tái)完成設(shè)計(jì)后，由CAE工程師導(dǎo)入CAE平臺(tái)進(jìn)行分析優(yōu)化，之后再反饋優(yōu)化結(jié)果到產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師在CAD平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。溝通不暢、互相專業(yè)領(lǐng)域的不了解、跨CAD/CAE平臺(tái)間頻繁的模型切換的不暢等因素實(shí)際上影響了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用的更加普及。

Altair 作為CAE行業(yè)中一個(gè)優(yōu)秀的軟件供應(yīng)商，提出了“以仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)”的理念，以先進(jìn)的OptiStruct優(yōu)化求解器為基礎(chǔ)，將優(yōu)化的功能提到設(shè)計(jì)流程前端，開發(fā)了概念階段優(yōu)化和分析軟件Solidthinking-Inspire。

二、Solidthinking-Inspire軟件簡介

Solidthinking-Inspire顛覆性的將建模，仿真分析，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)集合到了一個(gè)軟件平臺(tái)下，它有以下特點(diǎn)。

（1）專為產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師量身定制，它不像大型的CAE軟件有大量的菜單，界面簡單易懂，具有親和力。

（2）軟件使用操作簡單，容易理解，界面及幫助有中文版本，不像大型的CAE軟件多為英文版本，方便英文基礎(chǔ)較差的工程師使用。

（3）淡化CAE知識(shí)，不需要任何CAE背景知識(shí)，只需對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定的了解，即可通過軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來獲得和判定優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

三、Solidthinking-Inspire在油缸支座改進(jìn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

基于Solidthinking-Inspire軟件強(qiáng)大的建模，分析及優(yōu)化功能，我們以一個(gè)油缸支座的改進(jìn)設(shè)計(jì)為例，來看看Solidthinking-Inspire如何應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)優(yōu)化中。

1.靜強(qiáng)度分析

某款油缸支座原為焊接結(jié)構(gòu)（圖1），原結(jié)構(gòu)由兩塊豎板，一塊彎板，一塊筋板焊接而成，焊接結(jié)構(gòu)重32.35kg，隨著部件的改進(jìn)升級(jí)計(jì)劃改為鑄鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)出一個(gè)新的鑄鋼結(jié)構(gòu)油缸支座，要求相比原始結(jié)構(gòu)更輕，更耐用。首先將原焊接結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Solidthinking-Inspire進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

圖1　油缸支座原焊接結(jié)構(gòu)

通過結(jié)構(gòu)仿真模塊，快速的定義材料屬性，載荷、約束等邊界條件，單元大小后即可點(diǎn)擊分析進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。之后就可以查看位移，安全系數(shù)，米塞斯等效應(yīng)力等結(jié)果，可以看出結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力205MPa。

圖2　應(yīng)力分布云圖

2.幾何體簡化

幾何體簡化功能能直接在Solidthinking-Inspire軟件中對(duì)原始模型進(jìn)行修改，避免了跨平臺(tái)的軟件切換引起的不便，它只需簡單操作就可以實(shí)現(xiàn)查找和刪除凹坑、孔，查找和刪除圓角和倒角，推/拉面等功能。大大節(jié)省了更改模型的時(shí)間。

以本文中的油缸支座為例，點(diǎn)擊簡化幾何體中的孔功能，如圖3所示，軟件自動(dòng)搜索模型中的孔洞并紅色高亮顯示，并可以通過調(diào)整搜索容差進(jìn)行搜索，也可以手動(dòng)將高亮顯示的孔中不需要?jiǎng)h除的去除，之后點(diǎn)擊刪除按鈕，軟件即自動(dòng)將一些不需要的孔去除。

同樣的操作方法，軟件也可以自動(dòng)去除圓角、倒角。如圖4所示。這樣就得到一個(gè)簡化完成的幾何體，用于后面的優(yōu)化工作。

圖3　自動(dòng)去除孔及凹坑

圖4　自動(dòng)去除圓角及倒角

3.拓?fù)鋬?yōu)化

（1）定義設(shè)計(jì)空間與非設(shè)計(jì)空間。

所謂設(shè)計(jì)空間就是優(yōu)化前的初始結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化計(jì)算，挖掉設(shè)計(jì)空間中的多余部分，所剩部分構(gòu)成的形狀被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果。非設(shè)計(jì)空間即不希望優(yōu)化軟件進(jìn)行材料去除的區(qū)域，一般為邊界條件加載位置及與其他部件的連接位置，本項(xiàng)目中直接將油缸支座的加載孔位置和周圍的約束位置分離出來作為非設(shè)計(jì)空間。

接下來通過之前的靜強(qiáng)度分析結(jié)果及油缸支座的成型、安裝方式等因素來調(diào)整設(shè)計(jì)空間：分析結(jié)果顯示支撐油缸豎板根部應(yīng)力較大，但由于豎板受安裝限制不能改動(dòng)過大，因此將筋板與彎板連接處填實(shí)來尋找最佳的材料分布；為了尋找筋板的最佳布局將筋板拉伸到兩端。并將上述部分設(shè)為設(shè)計(jì)空間，如圖5所示，紅色為設(shè)計(jì)空間。

（2）定義邊界條件及形狀控制。

載荷和約束與之前進(jìn)行靜強(qiáng)度分析時(shí)的相同，由于采用同一個(gè)軟件，邊界條件直接繼承了之前的分析，這里并不需要重新定義。由于采用鑄鋼結(jié)構(gòu)，為方便鑄造工作中拔模，形狀控制設(shè)置雙向拔模。

（3）拓?fù)鋬?yōu)化。

點(diǎn)擊優(yōu)化，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為剛度最大，質(zhì)量目標(biāo)為設(shè)計(jì)空間的30%，之后運(yùn)行優(yōu)化。優(yōu)化完成的結(jié)果如圖6所示。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，豎板和彎板連接位置材料布置對(duì)結(jié)構(gòu)受力貢獻(xiàn)很大，而筋板在兩側(cè)布置效果最好。

圖5　設(shè)計(jì)空間及非設(shè)計(jì)空間

圖6　優(yōu)化結(jié)果

4.模型再設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的優(yōu)化結(jié)果，在CAD軟件中重新設(shè)計(jì)了新的油缸支座，主要改動(dòng)包括：改小了彎板的厚度，在豎板和彎板連接處增加了材料；筋板調(diào)整到兩側(cè)。改進(jìn)后的模型如圖7所示，新結(jié)構(gòu)重29.62kg。

5.結(jié)果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)是否優(yōu)于老結(jié)構(gòu)，再次將新結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Solidthinking-Inspire中，如前文所述再次進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示，新結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力僅為92MPa

圖7　新設(shè)計(jì)的油缸支座

圖8　新油缸支座應(yīng)力云圖

四、結(jié)語

通過運(yùn)用Solidthinking-Inspire軟件對(duì)油缸支座進(jìn)行了優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)，模型的分析、簡化和優(yōu)化整個(gè)過程均在Solidthinking-Inspire軟件中完成，避免了軟件的切換，大大提高了設(shè)計(jì)效率，另一方面新結(jié)構(gòu)相比老結(jié)構(gòu)得到了很大的優(yōu)化，重量減少了2.73kg，同時(shí)應(yīng)力減少了113MPa。