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1、Altair2015技術(shù)大會(huì)論文集基于solidThinkingInspire摩擦卷筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)Optimal Design of Friction Drum Based on solidThinkingInspire沈嶸楓張小珍 （福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州，35002）摘 要 ： 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ， 優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)機(jī)械零部件的優(yōu)化具有很大的促進(jìn)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(duì)模型進(jìn)行高效的渲染環(huán)境 。 通過建立摩擦卷筒幾何模型的導(dǎo)入到 Inspire軟件中對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化 ， 使摩擦

2、卷筒從概念設(shè)計(jì)階段找到了設(shè)計(jì)空間的最佳拓?fù)渎窂?， 對(duì)模型進(jìn)行造型設(shè)計(jì) ， 實(shí) 現(xiàn)模型輕量化設(shè)計(jì) 。 為了使摩擦卷筒顯示得到更好效果 ， 把優(yōu)化后模型導(dǎo)入到 Evolve軟件中 ， 對(duì)設(shè)計(jì)出結(jié)果進(jìn)行快速渲染 ， 得到一個(gè)令人滿意設(shè)計(jì) 。 對(duì)同類產(chǎn)品的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的理論依據(jù)和重要指導(dǎo)意義 。 關(guān)鍵詞 ： SolidThinking Inspire 摩擦卷筒 優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(jī)械零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)廣泛的應(yīng)用到有限元的分析方法，如SolidThinking Inspire、HyperWor

6、ks軟件等，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化等諸多的優(yōu)化方法[1]。在大型工業(yè)零件的設(shè)計(jì)中，優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)逐漸被設(shè)計(jì)師所接受，Altair公司推出SolidThinking Inspire軟件，該軟件有利用于毫無設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)優(yōu)化模型 [2]。摩擦卷筒是實(shí)現(xiàn)集運(yùn)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(duì)索道跑車的性能上起著關(guān)鍵作用，會(huì)直接影響到木材的生產(chǎn)安全、運(yùn)輸效率等，對(duì)摩擦卷筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常有 必要的[4]。使用SolidThinking Inspire軟件對(duì)摩擦卷筒進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，快速方便的實(shí)現(xiàn)摩擦卷筒的結(jié)構(gòu)材料的均勻分布，同時(shí)也為林業(yè)機(jī)械零部

7、件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有限參考。 1 應(yīng)用Inspire的優(yōu)化設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化[5]在給定空間結(jié)構(gòu)中形狀優(yōu)化及分布材料的一種數(shù)學(xué)方法。在給定的約束條件下，將區(qū)域離散成有限單元網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)每個(gè)單元計(jì)算材料特性，Optistruct優(yōu)化算法更改材 Altair2015技術(shù)大會(huì)論文集料的分布，以用戶給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，通過在任意連續(xù)的迭代中目標(biāo)函數(shù)改變量低于 給定公差時(shí)，即得到收斂結(jié)果。SolidThinking Inspire的拓?fù)鋬?yōu)化，從概念設(shè)計(jì)階段找到最后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜合實(shí)用性及美學(xué)特點(diǎn)得到一個(gè)成功的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品。在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域把尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化尋求最優(yōu)材料分布問題。 1.1 建立幾何模型參照

8、實(shí)驗(yàn)室中索道跑車，根據(jù)跑車的設(shè)計(jì)的圖紙，在三維實(shí)體建模軟件SolidWorks中參照實(shí)驗(yàn)室中索道跑車，根據(jù)跑車的設(shè)計(jì)的圖紙，在三維實(shí)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(shè)計(jì)空間參與計(jì)算，如圖1所示。 圖1 非設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)空間作為拓?fù)鋬?yōu)化求解的空間位置，如圖2所示。 圖2 設(shè)計(jì)空間幾何模型將上面兩個(gè)幾何模型都導(dǎo)入到Inspire軟件中，定義設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)孔，如圖3所示，紫紅色部分是定義好的設(shè)計(jì)空間，灰色為非設(shè)計(jì)空間。由于設(shè)計(jì)空間是環(huán)形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，

9、為了 得到更好的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，給設(shè)計(jì)空間施加三個(gè)對(duì)稱約束。 -2 - Altair2015技術(shù)大會(huì)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(yùn)材遙控跑車的一個(gè)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(jī)的牽引，另一端帶動(dòng)重物。動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)系把扭矩傳到卷筒變?yōu)榫硗采箱撍鞯囊欢耸艿浇g盤機(jī)的牽引，另一端帶動(dòng)重物。動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)系把扭矩傳到卷筒變?yōu)榫硗采箱撍鞯臓恳?，并把發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榫硗采箱撍鞯闹本€運(yùn)動(dòng)，以此牽引跑車拖集、提升和運(yùn)輸木材。本次設(shè)計(jì)的摩擦卷筒最大牽引力為2908N，鋼索型號(hào)選取為14 619NFC 1670B SZ，直徑為50m，最大轉(zhuǎn)速為2

10、.5r/s，受到最大力矩為725200Nm。摩擦卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)是在遙控跑車起吊重物起落作業(yè)時(shí)，由鋼絲繩牽引提供動(dòng)力，摩擦卷筒只能繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，即摩擦卷筒受到除繞著中心軸旋轉(zhuǎn)自由度外，其他方向的移動(dòng)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(shè)計(jì)變量時(shí)設(shè)計(jì)域的單元密度， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為約束條件，以全局質(zhì)量分?jǐn)?shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)變能為結(jié)構(gòu)響應(yīng)，目標(biāo)函數(shù)是最小結(jié)構(gòu)應(yīng)變能[6]。Inspire求解過程非常簡單，只需在界面上提交幾個(gè)參數(shù)即可，如圖5所示。在求解 Altair20

11、15技術(shù)大會(huì)論文集目標(biāo)設(shè)置為最大剛度，質(zhì)量目標(biāo)中可以設(shè)置全部設(shè)計(jì)空間體積的百分制，設(shè)置為30%；模 型不涉及頻率，所以設(shè)置頻率約束為無；在厚度約束中，設(shè)置最小化，可以輸入最小厚度，輸入值約束小，計(jì)算量越大，此設(shè)計(jì)為0.02m；最后按運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)化求解。 圖5 求解界面1.4 優(yōu)化結(jié)果設(shè)置好求解界面，提交計(jì)算后，得到最終結(jié)果。為了得到更好的結(jié)果，可以嘗試改變質(zhì) 量目標(biāo)的設(shè)計(jì)百分比或減小厚度約束中尺寸等參數(shù)，多次計(jì)算后選擇最好的結(jié)果，如圖6所示。 -4 - 圖6 優(yōu)化結(jié)果由圖6可知，優(yōu)化后模型在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中減少了原設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不必要的材料，在 Altair2015技術(shù)大會(huì)論文集 SolidThink

12、ing Inspire軟件中圖標(biāo)可以直接計(jì)算模型的質(zhì)量，原有模型的質(zhì)量為52.83Kg，優(yōu)化后模型質(zhì)量為45.54Kg，總體質(zhì)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(jìn)行真實(shí)材料關(guān)照等渲染，如圖7所示，把重建幾何模型導(dǎo)入到SolidThinking Evolve中進(jìn)行渲染。如圖所示，把重建幾何模型導(dǎo)入到中進(jìn)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(gè)簡單高效渲染引擎，能夠默認(rèn)的效果下軟件除了跟一般軟件類似外，還有一個(gè)簡單高效渲染引擎，能夠默認(rèn)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(zhì)后渲染得到的效果圖，如圖8所示。 -5 - 圖8 渲染效果3 結(jié)論 采用SolidThinking軟件對(duì)摩擦卷筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)出簡易的摩擦卷 Altair2015技術(shù)大會(huì)論文集筒，并且能在短時(shí)間內(nèi)渲染出優(yōu)化后模型的環(huán)境材質(zhì)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(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。SolidThinking軟件是從概念設(shè)計(jì)階段將造型與力學(xué)完美的結(jié)合，可以免去設(shè)計(jì)師對(duì)模型網(wǎng)格的劃分工作，減少設(shè)計(jì)時(shí)間。降低研發(fā)成本，提高技術(shù)水平，可以為同類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和數(shù)值參考， 對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)具有十分重要的知道意義。參考文獻(xiàn)： [

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