陳福德，孟凡召

（1.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設(shè)計(jì)工程技術(shù)研發(fā)中心，山東 德州 253034）

引言

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種趨勢。拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的重要手段。但結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，傳統(tǒng)制造工藝難以加工。利用3D打印技術(shù)可快速地將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成實(shí)物，而不需要考慮加工條件等因素的影響，極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低制造成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和市場競爭力[1-2]。拓?fù)鋬?yōu)化與3D打印技術(shù)的融合是制造技術(shù)發(fā)展的必然，也是企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新的重要方向[3]。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

山地自行車支架結(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)圖

2 輕量化設(shè)計(jì)

2.1 初始強(qiáng)度分析

設(shè)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(yīng)力45 MPa，根據(jù)要求添加外部載荷條件，并進(jìn)行初始強(qiáng)度分析，設(shè)置分析單元尺寸為1 mm，計(jì)算速度/精度選擇“更準(zhǔn)確”，單一載荷工況分析。分析結(jié)果：最大米塞斯等效應(yīng)力12.20 MPa（如圖2），最大位移0.689 4 mm（如圖3），最小安全系數(shù)3.7（如圖4）。

圖2 應(yīng)力

圖3 位移

圖4 安全系數(shù)

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

指定支架主體部分為設(shè)計(jì)空間，其余連接部分為非設(shè)計(jì)空間。對設(shè)計(jì)空間設(shè)定擠出的優(yōu)化形狀控制，形狀控制平面作用于XY平面，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)質(zhì)量30%，厚度約束4 mm。優(yōu)化結(jié)果探究，保持平滑結(jié)果勾選，拖動滑條探究優(yōu)化結(jié)果至優(yōu)化結(jié)果連續(xù)，如圖5所示。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化

2.3 幾何重構(gòu)

使用擬合Poly NURBS工具對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行自動擬合，通過拖拽控制點(diǎn)的方式調(diào)整自動擬合的優(yōu)化結(jié)果，使其與非設(shè)計(jì)空間相交。使用布爾運(yùn)算工具對優(yōu)化重構(gòu)結(jié)果和非設(shè)計(jì)空間進(jìn)行幾何相交，形成單一的實(shí)體三維模型。使用圓角工具處理重構(gòu)結(jié)果與非設(shè)計(jì)空間之間的銜接，獲得最終的輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖6所示。

圖6 幾何重構(gòu)

2.4 強(qiáng)度校核

對輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析結(jié)果如圖5所示：最大米塞斯等效應(yīng)力11.38 MPa（如圖7），最大位移0.493 5 mm（如圖8），最小安全系數(shù)4（如圖9）。強(qiáng)度不超過材料的屈服應(yīng)力，滿足實(shí)際的強(qiáng)度需求。

圖7 應(yīng)力

圖8 位移

圖9 安全系數(shù)

3 3D打印

根據(jù)原始模型.stl文件，結(jié)合強(qiáng)度分析結(jié)果，使用UP Studio3.0軟件，完成原始模型的3D打印。打印機(jī)型號UP300，噴頭直徑0.4 mm，材料ABS，設(shè)置打印方向，采用動態(tài)層厚，層厚設(shè)置為0.1 mm，最大層厚0.3 mm，路徑參數(shù)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?。ㄈ鐖D10、圖11）。

圖10 原始模型打印

圖11 優(yōu)化打印模型

以優(yōu)化前模型作為主模型，優(yōu)化后模型為子模型，導(dǎo)入主模型，將子模型導(dǎo)入主模型內(nèi)部，確定打印方向，主、子模型分別設(shè)置層厚，采用動態(tài)層厚，層厚設(shè)置0.1 mm，最大層厚0.3 mm，其他參數(shù)同上，完成模型打印（如圖12、圖13所示）。

圖12 分層參數(shù)設(shè)置

圖13 最終打印模型

4 結(jié)語

支架在優(yōu)化前重量為65.77 g，優(yōu)化后重量為26.97 g，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了59%的減重，支架的最大米塞斯等效應(yīng)力11.38 MPa，最小安全系數(shù)4，強(qiáng)度不超過材料的屈服應(yīng)力，滿足實(shí)際的強(qiáng)度需求。利用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件對模型進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，通過設(shè)置動態(tài)層厚，在滿足模型的力學(xué)性能要求，降低了制造成本，提高了打印效率。