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1、Altair2015技術大會論文集基于solidThinkingInspire摩擦卷筒的優(yōu)化設計Optimal Design of Friction Drum Based on solidThinkingInspire沈嶸楓張小珍 （福建農林大學交通與土木工程學院，福建福州，35002）摘 要 ： 隨著計算機技術的發(fā)展 ， 優(yōu)化設計技術對機械零部件的優(yōu)化具有很大的促進作用 。 利用 Altair公司所提供的 SolidThinking軟件 ， 可以簡單 、 快速的優(yōu)化模型 ， 并對模型進行高效的渲染環(huán)境 。 通過建立摩擦卷筒幾何模型的導入到 Inspire軟件中對模型進行拓撲優(yōu)化 ， 使摩擦
2、卷筒從概念設計階段找到了設計空間的最佳拓撲路徑 ， 對模型進行造型設計 ， 實 現(xiàn)模型輕量化設計 。 為了使摩擦卷筒顯示得到更好效果 ， 把優(yōu)化后模型導入到 Evolve軟件中 ， 對設計出結果進行快速渲染 ， 得到一個令人滿意設計 。 對同類產品的拓撲優(yōu)化設計具有一定的理論依據和重要指導意義 。 關鍵詞 ： SolidThinking Inspire 摩擦卷筒 優(yōu)化設計 輕量化Abstract：With the development of computer technology, the optimization design technology has a great efect
3、on the optimization of mechanical parts. Using SolidThinking software provided by Altair company， we can optimize the model and make the model more eficient. Through the establishment of the model of the geometric model of the -1 - friction drum to the Inspire software to optimize the model, the fri
4、ction drum from the concept design stage to find the best topological path of the design space, the model is designed to realize the model of lightweight design. In order to get beter results, the optimized model is imported into the Evolve software, and the results are fast rendering, and a satisfa
5、ctory result is obtained。 The topology optimization design of the same kind of product has the necessary theoretical basis and the important guiding significance. Key words：SolidThinking Inspire， friction drum， optimized design， lightweight目前，機械零部件結構優(yōu)化設計廣泛的應用到有限元的分析方法，如SolidThinking Inspire、HyperWor
6、ks軟件等，對機械結構進行拓撲優(yōu)化等諸多的優(yōu)化方法[1]。在大型工業(yè)零件的設計中，優(yōu)化技術已經逐漸被設計師所接受，Altair公司推出SolidThinking Inspire軟件，該軟件有利用于毫無設計經驗的領導者使用拓撲優(yōu)化技術優(yōu)化模型 [2]。摩擦卷筒是實現(xiàn)集運材索道跑車的起升作業(yè)的不可或缺的零部件[3]。摩擦卷筒對索道跑車的性能上起著關鍵作用，會直接影響到木材的生產安全、運輸效率等，對摩擦卷筒的結構優(yōu)化設計是非常有 必要的[4]。使用SolidThinking Inspire軟件對摩擦卷筒進行拓撲優(yōu)化，改變了傳統(tǒng)設計方式，快速方便的實現(xiàn)摩擦卷筒的結構材料的均勻分布，同時也為林業(yè)機械零部
7、件優(yōu)化設計提供有限參考。 1 應用Inspire的優(yōu)化設計拓撲優(yōu)化[5]在給定空間結構中形狀優(yōu)化及分布材料的一種數學方法。在給定的約束條件下，將區(qū)域離散成有限單元網絡，根據每個單元計算材料特性，Optistruct優(yōu)化算法更改材 Altair2015技術大會論文集料的分布，以用戶給定的設計目標進行優(yōu)化，通過在任意連續(xù)的迭代中目標函數改變量低于 給定公差時，即得到收斂結果。SolidThinking Inspire的拓撲優(yōu)化，從概念設計階段找到最后拓撲結構，綜合實用性及美學特點得到一個成功的機械設計產品。在給定的設計區(qū)域把尋求結構的最優(yōu)拓撲問題轉化尋求最優(yōu)材料分布問題。 1.1 建立幾何模型參照
8、實驗室中索道跑車，根據跑車的設計的圖紙，在三維實體建模軟件SolidWorks中參照實驗室中索道跑車，根據跑車的設計的圖紙，在三維實體建模軟件中建立摩擦卷筒的外圍和中間的軸孔，這些部件都是摩擦卷筒的必備部分，是主要的工作部分 可供優(yōu)化的空間不大，故將其作為非設計空間參與計算，如圖1所示。 圖1 非設計空間幾何模型連接摩擦卷筒外圍和中間軸孔的部分取著連接的作用，是建立設計空間作為拓撲優(yōu)化求解的空間位置，如圖2所示。 圖2 設計空間幾何模型將上面兩個幾何模型都導入到Inspire軟件中，定義設計空間和非設計孔，如圖3所示，紫紅色部分是定義好的設計空間，灰色為非設計空間。由于設計空間是環(huán)形對稱結構，
9、為了 得到更好的優(yōu)化結構，給設計空間施加三個對稱約束。 -2 - Altair2015技術大會論文集 圖3 Inspire 劃分好的空間1.2 邊界條件摩擦卷筒作為集運材遙控跑車的一個重要的零部件，是用來纏繞和容納鋼索的，卷筒上 的一端受到絞盤機的牽引，另一端帶動重物。動力經傳動系把扭矩傳到卷筒變?yōu)榫硗采箱撍鞯囊欢耸艿浇g盤機的牽引，另一端帶動重物。動力經傳動系把扭矩傳到卷筒變?yōu)榫硗采箱撍鞯臓恳?，并把發(fā)動機的旋轉運動變?yōu)榫硗采箱撍鞯闹本€運動，以此牽引跑車拖集、提升和運輸木材。本次設計的摩擦卷筒最大牽引力為2908N，鋼索型號選取為14 619NFC 1670B SZ，直徑為50m，最大轉速為2
10、.5r/s，受到最大力矩為725200Nm。摩擦卷筒轉動是在遙控跑車起吊重物起落作業(yè)時，由鋼絲繩牽引提供動力，摩擦卷筒只能繞著中心軸旋轉，即摩擦卷筒受到除繞著中心軸旋轉自由度外，其他方向的移動都是受到約束。在 中心軸上施加固定約束，在曲面上施加載荷，如圖4所示。 -3 - 圖4 約束、載荷施加位置1.3 求解SolidThinking Inspire軟件采用優(yōu)化方法是變密度法，設計變量時設計域的單元密度， 質量分數作為約束條件，以全局質量分數和結構應變能為結構響應，目標函數是最小結構應變能[6]。Inspire求解過程非常簡單，只需在界面上提交幾個參數即可，如圖5所示。在求解 Altair20
11、15技術大會論文集目標設置為最大剛度，質量目標中可以設置全部設計空間體積的百分制，設置為30%；模 型不涉及頻率，所以設置頻率約束為無；在厚度約束中，設置最小化，可以輸入最小厚度，輸入值約束小，計算量越大，此設計為0.02m；最后按運行，系統(tǒng)自動化求解。 圖5 求解界面1.4 優(yōu)化結果設置好求解界面，提交計算后，得到最終結果。為了得到更好的結果，可以嘗試改變質 量目標的設計百分比或減小厚度約束中尺寸等參數，多次計算后選擇最好的結果，如圖6所示。 -4 - 圖6 優(yōu)化結果由圖6可知，優(yōu)化后模型在設計領域中減少了原設計領域的不必要的材料，在 Altair2015技術大會論文集 SolidThink
12、ing Inspire軟件中圖標可以直接計算模型的質量，原有模型的質量為52.83Kg，優(yōu)化后模型質量為45.54Kg，總體質量上減少了13.8%。2 在Evolve中渲染 優(yōu)化后重新建立模型，為了更好的得到顯示效果，把新的模型進行真實材料關照等渲染，如圖7所示，把重建幾何模型導入到SolidThinking Evolve中進行渲染。如圖所示，把重建幾何模型導入到中進行渲染。 圖7 Evolve中渲染模型Evolve軟件除了跟一般軟件類似外，還有一個簡單高效渲染引擎，能夠默認的效果下軟件除了跟一般軟件類似外，還有一個簡單高效渲染引擎，能夠默認的效果下生成很多驚艷的效果，優(yōu)化后摩擦卷筒幾何模型賦
13、予材質后渲染得到的效果圖，如圖8所示。 -5 - 圖8 渲染效果3 結論 采用SolidThinking軟件對摩擦卷筒進行優(yōu)化設計，利用拓撲優(yōu)化設計出簡易的摩擦卷 Altair2015技術大會論文集筒，并且能在短時間內渲染出優(yōu)化后模型的環(huán)境材質等。摩擦卷筒通過SolidThinking軟件， 摩擦卷筒材料得到了合理的分布，減小了質量，實現(xiàn)輕量化設計。SolidThinking軟件是從概念設計階段將造型與力學完美的結合，可以免去設計師對模型網格的劃分工作，減少設計時間。降低研發(fā)成本，提高技術水平，可以為同類產品的優(yōu)化設計提供理論依據和數值參考， 對實際的生產具有十分重要的知道意義。參考文獻： [
14、1] 張勝蘭 ， 鄭冬黎 ， 郝琪 ， 等 ． 基于 HyperWorks的結構優(yōu)化設計技術 [M]． 機械工業(yè)出版社 ， 2007： 1-5．[2] SolidThingking Inspire 設計工程師基礎教練 . Pdf． [3] 沈嶸楓 ． 基于輕量化的運材跑車齒輪減速機構設計 [J]． 華中科技大學學報 ， 2012， 40(2)：98-101．[4] 周新年 ， 鄭端生 ， 沈嶸楓 ， 等 ． 遙控跑車的遙控液壓技術研究進展 [J]． 福建林業(yè)科技 ， 2012， 39(2)： 190-194．[5] Bendsoe MP， Sigmund O． Topology optimization： theory methods and applications[M]． Springer Verlag， 2003． [6] HyperWorks Help Version 13.0， Altair Engineering， Inc． -6 -
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