摘要：在SOLIDWORKS建立解藕板原始模型，将其导入到HyperWords中运用相对密度法，以柔顺度最小为目标，并添加对称约束，对解藕板进行拓扑优化，根据优化后的解藕板形貌及实际经验对模型进行部分修改和布筋，建立解藕板最终模型。在ALGOR中对原始解藕板及新建解藕板进行静力学及动力学分析，将他们的静应力和频率结果进行对比，验证轻量化设计目标。
关键词：SOLIDWORKS；HyperWords；ALGOR；轻量化设计；解藕板
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 04-0000-02
The Lightweight Design of Wire Bonders Decoupling Board on HyperWorks
Wang Shijun,Wang Dacheng
(Wuyi University,Jiangmen529020,China)
Abstract:SOLIDWORKS board established in the original model decoupling,to use it into HyperWords in the use of the relative density method,the objective of minimizing the degree to supple,and add the symmetry constraint on the decoupling plate optimization,according to the optimized morphology and board decoupling,the model is part of the experience modification and reinforcement distribution,the establishment of the final model decoupling board.ALGOR in the decoupling of the original board and new board decoupling of the static and dynamic analysis,static stress and the frequency of their results were compared to verify lightweight design goals.
Keywords:SOLIDWORKS;HyperWords;ALGOR;Lightweight designdesign;
Decoupled board
一、拓扑优化方法简介及理论
（一）优化方法简介。拓扑优化是一种数学方法，在给定的空间结构中寻找最优材料分布，其目的在于用最少的材料得到结构的最佳性能。拓扑优化在工程结构设计的初始阶段可以提供一个概念性设计，帮助设计者对复杂结构与部件能够灵活地、理性地优选方案，寻找结构最佳的传力路径，且其在概念设计阶段能够激发设计人员的灵感，有效实现结构最佳功能和最小成本的结合，因此成为结构优化设计领域的热点。拓扑优化方法包括均匀化法、渐近结构优化法和相对密度法，在HyperWords中主要使用相对密度法，其基本思想是人为地引入一种假想密度在0-1之间可变的材料，0为空1为实,并假定材料的宏观弹性常量与其密度成非线性关系。优化过程中以单元设计变量的大小来决定单元的取舍。相对于其他优化方法,相对密度法设计变量少、计算求解过程简单。
（二）优化理论
1.优化设计的数学基础。优化设计最为关键一步是建立优化设计的数学模型，该模型是用数学的形式表示设计问题的特征和追求目标，是用抽象的方法表达实际问题的特征或本质。数学模型3个方面的内容组成，即由设计变量、目标函数和约束条件，设计变量是在优化过程中会发生改变，是提高优化性能的一组参数，不同参数代表不同的设计方案。目标函数是关于设计变量的函数，即要求的最优设计性能。约束条件是对设计变量和其他性能的要求，是对设计的限制。优化设计的数学模型为目标函数
在Optistruct中，目标函数f（X）、约束函数g（X）与h（X）是从有限元分析中获得的结构响应。设计变量X是一个n维向量，它的确定依赖于优化类型。在拓扑优化中，设计变量是单元的密度；在尺寸优化中，设计变量是结构单元的属性，优化设计即在约束条件下，求解目标函数的最优值。
2.基于Optistruct的结构优化设计流程结构优化方法的选择为根据结构设计的特点和要求，将需要参与优化的数据定义成模型参数，优化处理器根据2次优化参数的比较后确定该次循环目标函数是否已经达到最小值、最优值。如果达到最优，完成迭代，退出优化循环；否则，将根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新进入循环。Optistruct采用HyperMesh进行结构优化问题的前处理和定义，在HyperMesh中完成有限元建模后，利用优化定义面板定义优化变量、约束和目标以及优化参数；然后提交Optistruct进行结构分析和优化。
二、解藕板的轻量化设计
（一）设计目标。解藕板是焊线机中音圈电机和焊头部分的连接件。在焊线的过程中音圈电机通过解藕板带动焊头部分高速、高频运动，且音圈电机的瞬间加速度为8G左右，因此要求解藕板必须具备高刚性和高频率，否则将严重影响焊头部分的定位进度。由于焊头部分及音圈电机的安装位置已经确定，因此不能改变解藕板的长、宽尺寸。现以原始解藕板为基础进行简化，将倒角、圆角、螺钉孔等去除，因为这些特征系统位移及动态特性的影响很小，因此建模时将这些特征略去，简化后的解藕板模型如图1所示。通过本次优化设计要使解藕板的质量减少15%以上、静态位移减少15%以上、一阶固有频率增加20%以上。
（二）拓扑优化设计。由于SOLIDWORKS中的模型文件不能直接导入到HyperWords中，因此需将文件转换为PRT为后缀的格式，然后导入到HyperWords中进行几何清理、网格划分、质量检查、建立负载和约束等操作。其中在网格划分时为提高后处理运算效率，用四面体网格进行划分，尺寸大小为10㎜。在添加负载及约束时，通过三维建模计算，得焊头部分的质量200㎏，将其施加于焊头部分连接面，解藕板与音圈电机连接面采用全约束，网格及加载后模型如图2。
在拓扑优化中优化参数不需要人工定义，而是软件将材料分布自动当成优化参数。本文解藕板的拓扑优化以解藕板的体积和柔顺度（Compliance为响应体积是全局响应，柔顺度必须分配到子程序中），以柔顺度最小为目标函数，对于结构静力优化，结构整体刚度最大等价于结构的柔顺度（Compliance）最小化，以0.5的体积上限范围为约束，运用Optistruct模块进行解藕板的拓扑优化计算，经过80步迭代得到优化后的结果，在HyperView中查看密度等值面结果，将Curren Valu取0.015，得到等值面图，如图3。
三、结果对比
在ALGOR中对原始及优化后的解藕板模型进行静应力和模态分析，对比静态位移、固有频率及质量指标，通过简单计算检验优化结果是否达到设计目标。验证分析中所加负载及约束与拓扑优化时完全相同，根据焊线头部分运动频率及振动频率的参与性确定提取原始解藕板及新解藕板的静态位移及前二阶模态分析结果，如图4、图5。其中静态位移的最大值在解藕板与焊头部分连接面的中点处。四阶模态频率及对应最大位移如表1。
为了直观的看出验证结果，现将设计目标及优化结果的一些重要参数列于表2：
由表2看到拓扑优化设计的解藕板完全满足设计目标，而且三项参数均得到不同程度的改善，证明拓扑优化设计的解藕板是较合理的。
四、结论
（一）基于HyperWords的Optistruct模块，运用优化理论对焊线机的解藕板进行了轻量化设计，同时考虑到实际应用及机加工工艺的要求，依据实际经验对模型进行部分修改及布筋。通过对原始解藕板及优化设计后的解藕板进行静力学及动力学分析及参数对比，验证了轻量化设计的预设目标。从优化过程及结果可以得出：基于HyperWords的Optistruct模块的优化设计，不仅在产品的设计开发初期缩短开发周期、降低开发成本，而且可以对已有部件以柔度和固有频率为目标进行轻量化设计，降低了原材料成本。
（二）拓扑优化设计不仅要求从事此工作的技术人员有丰富的工作经验及专业技能，更要求要不同学科技术人员的参与，如CAD、CAE、CAM等多学科技术人员。
（三）铁、铜等金属资源为非可再生资源，利用优化设计可以在满足技术要求的前提下降低金属的使用量。
（四）拓扑优化技术在国外工程领域已经有较多应用，而且已有大量成功应用的案例，反观国内的工程应用还较少，我们要加强这方面的工作，缩小与国外的差距。
参考文献
[1]隋允康,叶红玲,杜家政.结构拓扑优化的发展及其模型转化为独立层次的迫切性[J].工程力学,2005,22:107-118
[2]刘旺玉,曾琳.基于OptiStruct的风力叶片拓扑优化设计[J].机械工程师,2009,6:47-48
[3]张胜兰.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].机械工业出版社,2007
[4]杨永亮,基于有限元的车床床身结构优化[D]｡大连:大连理工大学,2006
[作者简介]王士君（1981-），男，硕士研究生，助理工程师，主要从事结构的优化设计。
推荐访问:线机 轻量化 设计 HyperWorks 解藕板