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

鐘繼萍，陳春梅，?！×?/p>

（1.安徽合力股份有限公司，安徽 合肥230000；2.工業(yè)車輛安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安微 合肥230000）

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

鐘繼萍1，陳春梅1，常亮2

（1.安徽合力股份有限公司，安徽 合肥230000；2.工業(yè)車輛安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安微 合肥230000）

摘要:本文以某油缸支座改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品升級(jí)，優(yōu)化，Inspire

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)人員產(chǎn)生新的設(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(lái)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。

1　Solidthinking-Inspire軟件簡(jiǎn)介

Solidthinking-Inspire顛覆性的將三位建模，結(jié)構(gòu)仿真，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(jiǎn)單易懂，具有親和力。

（2）軟件使用操作簡(jiǎn)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(guò)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)獲得和判定優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

2　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(lái)看看Solidthinking-Inspire如何應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)優(yōu)化中：

2.1靜強(qiáng)度分析

某款油缸支座原為焊接結(jié)構(gòu)（圖1所示），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32.35 kg，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(guò)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205 Mpa（如圖2所示）。

圖2　應(yīng)力分布云圖

2.2幾何體簡(jiǎn)化

幾何體簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)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。

圖3　自動(dòng)去除孔及凹坑

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。

圖4　自動(dòng)去除圓角及倒角

這樣就得到一個(gè)簡(jiǎn)化完成的幾何體，用于后面的優(yōu)化工作。

2.3拓?fù)鋬?yōu)化

2.3.1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(guò)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(lái)作為非設(shè)計(jì)空間。

接下來(lái)通過(guò)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(lái)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(guò)大，因此將筋板與彎板連接處填實(shí)來(lái)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。

圖5　設(shè)計(jì)空間及非設(shè)計(jì)空間

2.3.2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。

2.3.3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6　優(yōu)化結(jié)果

2.4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29.62 kg.

圖7　新設(shè)計(jì)的油缸支座

2.5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92 Mpa.

圖8　新油缸支座應(yīng)力云圖

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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)，一方面模型的分析，簡(jiǎn)化，優(yōu)化整個(gè)過(guò)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2.73 kg，同時(shí)應(yīng)力減少了113 Mpa.

參考文獻(xiàn)：

[1]Solidthinking-Inspire2015，設(shè)計(jì)工程師必修教程.

[2]常亮.基于Solidthinking-Inspire的叉車轉(zhuǎn)向橋橋體設(shè)計(jì)[C].合肥，CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2013，（7）.

[3]黃宗信.CAD工程師應(yīng)用Solidthinking優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)[C].臺(tái)中，Altair 2013 HyperWorks技術(shù)大會(huì)論文集，2013.

中圖分類號(hào)：U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0270-03

收稿日期：2016-01-10

作者簡(jiǎn)介：鐘繼萍（1963-），女，安徽銅陵人，高級(jí)工程師，研究方向：叉車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

The Application of Solidthinking-Inspire in the Optimization of Mechanical Products

ZHONG Ji-ping1，CHEN Chun-mei1，CHANG liang2
（1 Anhui joint Limited by Share Ltd，Hefei Anhui 230000，China；2 Key Laboratory of industrial vehicles，Anhui Hefei 230000，China）

Abstract：This paper takes a cylinder support improved design process as an example，With the help of Altair’s software-Solidthinking-Inspire，it is described in detail that software plays a role in the product improvement design.The results showed that use of the software can help design best product and effectively improve design efficiency.

Key words:product promotion；optimization；inspire