基于有限元流程的结构优化方案

基于有限元流程的结构优化方案

费勇

杭州洛基机械制造有限公司浙江杭州311400

摘要：本文介绍通过几个有限元软件和设计软件的结合，实现拓扑优化的优化方法和基本步骤。并结合实例，完成了某安装座的优化设计。在满足工程要求的情况下，获得合理的强度，减轻工件重量，节约材料，实现轻量化，并美化设计。

关键词：机械；结构设计；有限元分析；优化设计

引言

优化设计是发展最快的设计方法之一，是一种寻找和确定最佳设计方案的技术。结构优化设计是将优化设计与有限元分析技术结合起来，来满足给定的各种要求最佳结构尺寸、形状等的设计手段。结构优化设计克服了传统设计经验局限，充分利用了计算机有限元和优化技术，大大缩短设计周期，降低材料消耗，提高产品精度和性能，有明显的经济效益。在这里探讨多款软件配合的设计优化流程，达到更加高效的目的。

1流程概述

前期阶段分析→2.拓扑优化→3.结构设计（逆向）

1.1前期阶段分析

这里指在初期我们需要分析产品的使用环境和力学情况，考虑好基础结构后将设计在CAD软件中建立为数模，将其导入到CAE软件中进行分析。

初次分析选用SimSolid，该软件采用无网格技术，不需要复杂的设置，快速实现结构分析，为预测快速提供准确的分析结果。但相对与经典的有限元技术有一定的误差，其运算快，对硬件要求低，且对于前期分析来说精度够用。用其对整个产品的钢结构组件静力学分析，用其得出数据来做下一步工作的参照。

1.2SimSolid的分析操作

1.导入模型：直接打开CAD装配体或者多实体文件，如不是直接支持的cad文件类型需要转成STP。

2.材料设置：在菜单栏Settings下找到Materialdatabse，点击EditCCurrent，进入材质库编辑界面，右键点击GenericMaterials（通用材质），选择addmaterial(增加材质)，材料名称设置为Q235B，材料属性根据栏目内容查表，如是非线性分析，还要设置打开Stress-StrainCucve，设置应变图，完成后单击Savematerial，完成材料的新建。双击击模型树栏中的Defaultmaterial（默认材质），选选择新的Q235B作为默认材质。

2.方程数设置：为确保分析精度，找到左侧模型树中的ProjectsolutionSettings双击，将Maxnumberofadaptivesolution为6（默认为3）。同时在Adapttofeaure，自适应在分析过程中保持局部特征。

3.分析类型设置：找到左侧模型树中的Designstudy1Baseline，在菜单栏上的Analysis单击，选择Structual下拉菜单的Structuallinear,在弹出的窗口中，选择Contact，设置分析的类型为线性分析。

4.接触类型设置：到左侧模型树中connections下的automaticconditions，他会自动根据设置的间隙和过盈的容差来设置接触的连接关系

选中连接，右键edit，选择Separating，可以根据实际情况编辑接触类型（在CAD软件造型中注意检查模型的干涉情况，避免跳出错误）

5.边界条件设置：点击模型树左侧的immovable，单击菜单栏右侧的图标，找到固定约束添加给模型的安装底面，并给安装底面与模型底座的3个安装螺栓添加约束。

6.负载设置：点击模型树左侧的force/displacement图标，load/displacement框内设置力，根据模型设计要求给模型滚筒，一端施加1000LBS的拉力（注意单位与方向）。

7.解算：点击solve，开始分析计算。

结果如图示1，多数区域超出设计要求的安全系数，根据安全系数的大小，预先给一些区域做出划分。方便下一个阶段的拓扑优化。

1.3拓扑优化

拓扑优化是从结构优化中派生出来的新分支，有很多软件支持Optistruct/TOSCA/ABAQUS/ANSYS.CAD软件也有支持如inventor，solidworks，solidedge等。在此使用Inspire为例，Inspire使用OptiStruct求解器，它能根据给定的设计空间、材料特性和应力要求生成理想的结构形状，减少整个设计耗时，节省材料以及减重。软件支持中文，所以只介绍关键点。

2要点是区分好设计空间和非设计空间

设计空间是指给软件自动优化的区域，非设计空间是不参优化的区域。我们可以用CAD软件完成的设计空间和非设计空间的建模区分，也可以在inspire的几何功能下进行对设计体的分割，增料，建立多实体。运算不改变非设计空间，而是通过优化计算去除设计空间的多余区域，剩余部分形状就是优化的结果。为了挖掘优化潜力，设计空间尽量最大化，可以在原来的基础上增加任何可用的空间，因为计算不会增加空间，只是在空间限制内减少区域，同时确保约束和荷载能够有效传递到结构上，同时需要形状控制中设置结构控制，使得优化后的结果有良好的力学性能的同时也保证制造的工艺性要求。

2.1在底座的空间内，通过三组螺栓固定在一个安装平面上，底面与安装面可分离接触，载荷底座上端的滚筒施加1000lbs的负载，并转化为底面连接孔截面表面力，将底座安装螺栓区域的空间，安装其他轴，和螺栓的空间定义为非设计空间，将原有其他区域定义为设计空间，并增加底座前端多余的安装空间作为设计区域，增加底座到滚筒之间的间隙作为设计区域，并在形状控制菜单下，添加控制以确保优化后结构符合要求。

2.2添加载荷和约束

在分析前，必需定义组件所承受的负载和约束条件，也可以定义为多种工况进行优化，以保证优化结果符合各种条件下的使用。本例中的底座受力方式比较单一，中间虽然有其他结构但是都不受其他外力，底座与安装面由螺栓固定后不发生转动，与平面可分离。根据以上情况我们设置好螺栓连接，底面的接触，滚筒的受力后，就可以开始优化。

2.3优化

我们设置拓扑优化的类型，选择最大化刚度，选择质量目标为设计空间的50%，此处可以自己定义。我们的结构是钣金件，所以要保持最小厚度，设置为钣金的厚度。载荷工况下可以添加多个工况，此案例中就不使用了，点击运行，等待优化结果，注意优化前硬件的设置使用多核心，尽量使用高频率的CPU，并保证临时目录的磁盘有足够的空间。

3逆向建模

等待运行结构出来后，可以根据生成的结果图2，作为参考，导入到三维cad软件中设计产品的结构，因为有了优化后的结果作为依据，之后的设计就更加符合结构优化的要求了，由于导入的数据为STl的网格面，如果对设计的美观有要求可以使用逆向建模到工业设计的软件中完成设计，比如Evolve，AliasSpeedForm，rhino+T-splines都可以完成G2的曲面生成，如果所使用的CAD软件不支持网格面可以使用Geomagic旗下软件转成NURBS曲面后存储为STP格式导入。结构不复杂的话使用solidworks，inventor，solidedge等都可以直接建模。需要注意的是保证原有的零件的坐标系符合设计规范，这样导入后的STL模型可以与原设计重叠做对比参考，更加便于设计。本例我们直接导入STL做参考设计，得到结果图3。

结语

以底座中的数据为例原有设计的最小安全系数5.4(图1),优化后结果最小安全系数4.8(图3)，重量为原有结构的82%，综上所述使用以上的工作流程，我们就可以完成初步完成一个项目的结构设计优化，如果不是很符合要求，或者想进一步优化可以将结果导入到第二阶段的拓扑优化中，这样迭代就能得到最优的结果。

参考文献

[1]基于AnsysWorkbench和SimSolid齿轮夹臂机构静力学仿真分析《内燃机与配件》2019年第8期33-35.

[2]基于SolidThinkingInspire的水平钻机机架设计《现代制造技术与装备》2018年第3期6-8.

[3]复杂曲面类模型的逆向建模技术的研究《机械研究与应用》2019年第1期147-148,155.

[4]机械结构优化设计发展应用综述《中国机械》2014年第22期162-163.