基于Inspire在机械产品拓扑优化设计中的应用研究

基于Inspire在机械产品拓扑优化设计中的应用研究

李华雄1,王晖1,刘璇1

1佛山职业技术学院，智能制造学院 ，广东 佛山 528137

摘要：以刹车踏板升级优化设计过程为例，借助于Altair公司的Inspir软件在机械产品拓扑优化设计过程中发挥的作用，结果表明：踏板部件实现了 27.3%的减重，强度不超过材料的屈服应力，满足实际的强度需求，提高了机械产品的结构性能，加快迭代速度。

关键词：Inspire、拓扑优化设计、结构性能

0引言

伴随着我国制造业经济的不断发展，机械产品结构优化设计已成为获得轻量化和高性能结构的最重要手段之一。拓扑优化设计是性能优越、竞争力强的创新结构构型的有效设计方法，被广泛应用于制造领域，大大为机械产品提能增效、节能环保。然而其所设计出的复杂不规则构型难以通过传统制造技术加工成型，3D打印技术的日趋成熟，也加速了拓扑优化计算结果的生产制造进程，也推动了拓扑优化方法在机械产品设计中的应用，其需要具有专业建模能力的设计师构建出复杂、新颖的高性能结构模型。由此可见，拓扑优化设计和先进制造技术的有效结合能够有效突破各自的发展瓶颈，并有望促进现代制造业发生质的飞越：一方面为复杂构件的加工制造提供了可能性，另一方面也彻底解放了构型设计的思维。

1 Inspire软件简介

Altair Inspire软件使设计工程师、产品设计师和建筑师快速而方便地探索和生成高效的结构基础。Inspire软件采用先进的优化求解器Altair OptiStruct™，根据给定的设计空间、材料属性以及受力需求生成理想的形状。该软件简单易学，并与现有的CAD工具协同工作，帮助用户在结构设计的第一时间就降低开发成本、时间、材料消耗和产品重量。软件优化设计流程如图1所示。

                  图1  Inspire优化设计流程图

2 拓扑优化设计介绍

2.1 拓扑优化设计

拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。结构优化可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

尺寸优化：在给定结构的类型、材料、布局拓扑和外形几何的情况下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济，它是优化设计中的最低层次；

形状优化：若结构的几何可以变化，如把桁架和刚架的节点位置或连续体边界形状的几何参数作为设计变量，优化又进入了一个较高的层级，即所谓的形状优化；

拓扑优化：若再允许对桁架节点联结关系或连续体结构的布局进行优化，则优化达到最高的层级，即结构的拓扑优化。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，最具发展前景。

2.2 拓扑优化设计优势

在机械结构件设计中，利用拓扑优化设计方法已经被大量运用。一方面可以帮助设计师根据产品的性能要求，在指定的设计空间内快速、准确的实现产品设计；另一方面，可以优化改善结构性能、减轻产品质量。

3 Inspire在刹车踏板改进设计中的应用

以某刹车踏板作为对象进行拓扑优化设计与仿真验证。根据刹车踏板零部件图2所示，根据实际的受载情况进行适当的简化调整，主要的载荷来自垂直于踏板面的力，端部和中间的孔为安装孔，使用约束和力来表征安装孔的固定和受力情况。踏板部件边界条件如表1所示。

图2 刹车踏板部件

                                              表1 边界条件

3.1初始强度分析

通过结构仿真模块，快速的定义刹车踏板材料属性为ABS，根据要求添加载荷、约束等边界条件，设置分析单元大小尺寸为4mm，进行单一载荷工况静强度分析。通过查看分析结果：位移，安全系数，米塞斯等效应力，可以看出结构最大应力25.15Mpa、最大位移6.73mm、最小安全系数 1.8图3所示。

A．初始模型                                       B．应力               

   C．位移                                 D．安全系数

图3 初始强度分析

3.2 拓扑优化设计

3.2.1 定义设计空间与非设计空间

所谓设计空间就是优化前的初始结构状态，通过软件内核优化计算，移除设计空间中的多余部分，所剩部分构成的形状被认为是结构优化的结果。非设计空间即不希望优化软件进行材料去除的区域，一般为边界条件加载位置及与其他部件的连接位置，本项目中直接将刹车踏板部件主体部分为设计空间，踏板面和安装部分为非设计空间图4所示。

                                     图4 设计空间

3.2.2 优化形状控制设定

对设计空间设定挤出的优化形状控制, 用于确保一个设计空间可以使用特定工艺（如铸造、冲压或挤出等）被实际制造出来。形状控制平面作用于XZ平面图5所示。

图5  XZ平面形状控制

3.2.3 优化参数及结果

设置优化目标质量 30%，厚度约束9mm图7所示。优化完成的结果如图6所示。从优化结果可以

看出，踏板和孔连接位置材料布置对结构受力约束很大。

图7 优化参数                             图6 优化结果

3.3 模型重构设计

利用拟合PolyNURBS工具对优化结果进行自动拟合，使其与非设计空间相交。 使用布尔运算工具对优化重构结果和非设计空间进行几何相交,形成单一的实体三维模型。使用圆角工具处理重构结果与非设计空间之间的衔接，获得最终的轻量化设计结果图7所示。

图7  模型重构设计效果

3.4 强度校核

对踏板轻量化设计结果进行强度校核，设置分析单元尺寸为 4mm，计算速度/精度选择更准确，单一载荷工况分析。通过查看分析结果：位移，安全系数，米塞斯等效应力，可以看出结构最大应力25.15Mpa、最大位移4.7mm、最小安全系数 1.7图8所示。

A.应力

B.位移     C.安全系数

 图8 强度校核效果

4 总结

通过运用Inspire软件对刹车踏板进行了拓扑优化设计，大大提高了设计效率，得到以下优化结果：（1）刹车踏板部件在优化前的重量为108.2g（材料ABS），通过轻量化设计之后的重量为78.683g。

（2）部件初始的强度分析结果，最大米塞斯等效应力 25.15Mpa，最大位移 6.73mm，最小安全系数1.8。

（3）轻量化设计之后的部件强度校核结果，最大米塞斯等效应力 26.64Mpa，最大位移4.7mm，最小安全系数1.7。

（4）对踏板部件进行轻量化设计实现了 27.3%的减重，强度不超过材料的屈服应力，满足实际的强度需求。

参考文献：

[1] 钟继萍等.Solidthinking-Inspire 在机械产品升级优化中的 [J], 装备制造技术，2016.

[2] 刘书田等. 一种将拓扑优化设计转化为增材制造结构的实现方法 [J] .Engineering，2018（04）：304-311.

[3] 刘鸫根. 面向增材制造的机械产品拓扑结构优化设计与研究 [D]. 山东建筑大学.2019.04.

[4] Altair. 成图大赛轻量化设计大赛[R].ruilong@altair.com.2021

[5] 梁健等. 拓扑优化在产品设计中的应用 [J]. 设计.2021.03.