零件的结构优化设计浅析

陈庆蕊

（泉州工程职业技术学院，361000，福建泉州）

随着社会的不断发展进步，原材料的节约、尺寸的优化、外形的美化都会使产品在市场上的竞争力大大提高，而结构拓扑优化就可以在满足产品原有的性能及刚度情况下减轻产品的重量，从而达到节约产品的原材料，进而达到降低产品的成本，给企业带来直接的经济效益。

1 优化设计分析

对产品拓扑优化设计，主要是采用密度法对产品连续体进行研究，完成对产品的结构优化设计，在满足产品原刚强度的同时达到减轻其重量的目的。对产品的优化设计主要有以下几个步骤。

1.1 利用密度法分析材料

采用密度法的材料插值计算方法，并对该方法进行改进，建立新的数学模型，并结合Tosca 软件进行工程部件的拓扑优化。

1.2 对连续体进行结构拓扑优化

在体积约束下，基于SIMP 理论，选择合适的设计变量和目标函数（最小柔度），构造适应结构拓扑优化的数学模型即最小柔度优化问题的数学表达式；并选取密度优化法对优化模型进行求解，推导出其密度迭代格式。

通过模型提取和模型重建的方法实现CAD 模型转换。通过提取优化模型有限个边界节点坐标，将坐标导入UG 软件中进行建模，通过模型的二维截面拉伸、旋转等方式建立三维模型。

1.3 三维结构拓扑优化设计

针对轻量化、最大刚度类结构的拓扑优化，通过连续体结构密度法探讨及产品结构特点和载荷状况分析，根据有限元网格划分的原则，对结构进行正确网格划分；根据其实际工作情况定义有限元分析时的载荷和边界条件，进行结构刚度强度分析，并对数值进行分析讨论，提出结构优化的方案。

根据优化的结构建立新的三维实体模型，与优化前的结构进行静态强度和重量的对比分析，检验结构优化的成效。

2 方案制定与实施

2.1 问题分析

帐篷架杆三角小顶是整个帐篷的核心连接件，每个帐篷需要2 个，材料是尼龙+15%纤维，该帐篷每年约有10 万套的订单。通过对该帐篷的核心零件进行拓扑优化分析，并在拓扑分析结果模型的基础上进行零件的优化设计，每年可产生较大的直接经济收益。

2.2 三角小顶的拓扑优化设计

首先对三角小顶的原始模型进行CAE 结构分析，计算出原始模型的体积及其质量；然后对零件进行材料的参数设定，通过划分网格法，激活计算方案，创建出初步的分析报告，这时插入拓扑优化解算方案，设置拓扑优化参数、优化目标、约束等，从而确定求解拓扑优化的方案，利用软件对三角小顶按既定的方案进行优化，形成优化数据文档。图1 是三角小顶的原模型与优化后模型对比。

图1 原有零件模型（左）与优化后的模型（右）对比

2.3 三角小顶的强度校核

根据三角小顶的数据文档进行脆性、塑性应力分析并强度校核，经过计算得出最大应力σmax＝32.17 MPa＜许用应力[σ]=63.33 MPa。说明优化设计模型在满载荷的约束条件下满足强度要求。

3 经济效益对比

尼龙+15%纤维的原料成本约为27 元/kg，零件的体积从原始设计模型的32 775.824 7 mm3下降到优化设计模型的24 407.567 6 mm3,减少了约8 368 mm3，零件的质量从原始设计模型的0.053 kg 下降到优化设计模型的0.045 kg，质量减少了0.008 kg，全年节省原材料费用约4.32 万元。

在完成对三角小顶优化的基础上，对帐篷的另一核心零件——转弯连接件（如图2 所示）也完成了优化设计。

图2 转弯连接件

每套帐篷需要转弯连接件4 件，是三角小顶的2倍，通过优化设计取得的成效及产生的经济效益如表1所示。

表1 三角小顶和转弯连接件结构优化前后成本对比

由表1 可以看出，通过拓扑优化设计，单一款产品，每年就可以产生高达15.12 万元的直接经济收益，除此之外还可以因为降低了产品的成本而提高了产品的市场竞争力，帮助公司赢得更多订单的间接经济收益。

4 结语

综上所述，利用拓扑结构优化设计研究产品，能够为企业获得更多的经济效益，既可以给同类产品的设计以借鉴作用，又树立产品创新理念，具有理论、社会意义。