摩托车连接件的轻量化设计与3D打印制造

张敬轩，安芬菊，徐高圣，熊冯瑞，涂桂根，杨泳彬

（广东海洋大学 机械与动力工程学院，广东 湛江 524088）

0 引言

随着轻量化设计技术和3D打印制造技术的发展，现已逐步延伸并应用在机械零件、工具、航空航天、建筑等重要领域。轻量化设计的主要目的就是在满足原来的约束、载荷等前提下，有效合理地减少耗材、减轻自身质量，并满足零件的功能性、安全性及耐用性。Altair inspire软件对零件进行轻量化设计是采用仿真驱动的设计方法，即在传统设计方案流程的初期就进行优化设计，并有效地帮助设计者在满足零部件功能的同时降低耗材，提高产品的质量[1]。由于轻量化设计的零件多呈网格化或者蜂窝状的结构，这种零件结构具有抗压性强、抗冲击力强、吸能性能高等特点[2]，同时具有传统机械加工加工工艺繁杂或难以加工的问题。为了解决这一问题，以摩托车连接件为例，分别选择“最大刚度”、“增加至最大频率”、“最小质量”为设计目标，对摩托车连接件进行轻量化设计，比较分析得到效能较优的结构，最后通过3D打印制造技术对零部件进行打印[3]。

1 摩托车连接件的轻量化设计

选择摩托车结构部件中的连接件作为轻量化设计的研究对象，在下文中统一简称摩托车连接件。该摩托车连接件主要用来连接摩托车的减震器、支架和摩托车部件。摩托车连接件的约束使用惯性释放。摩托车连接件具体受力的位置和载荷大小情况如图1所示。其中：位置1为350 N，平行于XZ平面，与Z负方向夹角为45°；位置2为350 N，平行于XZ平面，与Z负方向夹角为45°；位 置3 为1350 N，平行于XZ平面，与Z正方向夹角45°，作用点为两孔连接中心位置。位置4为X负方向900 N，作用点为两孔连接中心位置。

图1 摩托车连接件受力位置和载荷大小图

摩托车连接件的材料为工程塑料ABS（弹性模量为2000 MPa、泊松比为0.35 、密度为1060 kg/m3、屈服应力为45 MPa）。

轻量化设计中的拓扑优化是将设计空间的材料和形状进行数学优化的一种方法，即在确定负载情况、约束条件和性能指标的情况下，将材料的分布优化到效能最优的状态。拓扑优化的研究对象通常有2种，分别是连续体结构和离散体结构[4]。连续拓扑优化的实质就是0～1离散变量的组合。对于摩托车连接件的结构优化，使用结构体优化的方法。结构体优化的方法有多种数学建模的方法，其中使用最广泛的就是变密度法。变密度法不用直接引入真实材料的微机构和附加均匀化的求解，因此优化的效率较高[5]。本次的轻量化设计基于Altair Inspire软件的求解器OptiStruct，它基于变密度法中的SIMP法有效地建立拓扑优化的数学模型[6]。下面利用拓扑优化的方法对摩托车连接件进行不同设计目标（最大刚度、增加至最大频率、最小质量）的方案设计，并分析哪种方案效能最优。

1.1 指定设计空间

结合Altair Inspire软件对摩托车连接件进行拓扑优化时利用变密度法的SIMP的插值模型。第一步将模型导入Altair Inspire，划分设计空间和非设计空间。将受载荷的部分作为非设计空间，连接件的形状结构作为设计空间，作为拓扑优化的主要设计部分。在实际情况下的总体设计要求为，最大变形位移小于1.2 mm，安全系数大于1.2。

1.2 优化前的强度分析评估

确定设计空间和非设计空间后，第二步确定连接件的材料，设置性能参数并施加载荷受力情况。连接件的载荷工况施加完成之后，由于连接件主要是受外力的作用，所以对其连接件结构抵抗变形的能力（即强度）很有研究的意义，以便有效地防止连接件发生振动、颤振或失效。所以第三步对连接件的强度（包括位移、安全系数、米塞斯等效应力）进行分析评估。连接件初始条件刚度分析如图2所示。

图2 连接件初始条件刚度分析

运用Altair Inspire软件的Optistruct分析得到的初始摩托车连接件的强度情况如下，原始摩托车连接件的质量为258.5 g。初始条件下最大位移为0.1488 mm。摩托车连接件中呈现结构安全程度的最小安全系数为2.8。最大米塞斯等效应力为16.23 MPa。

1.3 不同设计目标的优化

1.3.1 目标为最大刚度的优化

刚度是衡量力学结构的重要指标，目标为最大刚度的拓扑优化设计是以结构的外主力做功和支撑反力做功之差为目标函数，将这个目标函数最小化得到零件的最大刚度设计结果。利用这个计算原理，再以质量和厚度作为最大刚度设计的约束条件，得到最大刚度优化的结构后，进一步对设计后的结构进行强度分析评估（如图3）。

图3 最大刚度优化强度分析

摩托车连接件经过最大刚度优化设计后的结果如下：质量为77.16 g，对优化之前减少181.34 g，有效减重70.15%，材料减重明显；最大米塞斯等效应力下降1.39 MPa；由于减少材料，最大形变位移增加0.3495 mm。最小安全系数提升0.2，满足设计要求，达到最大刚度优化的目的。具体优化值在下文表1中列出。

1.3.2 目标为增加至最大频率的优化摩托车连接件的动态性能主要是振动特性决定，动态特性的参数一般是振幅、频率、相位。影响连接件动态性能的主要因素是激励与结构，外部载荷是激励，外部载荷主要影响振幅，结构则决定频率。为了优化连接件的动态特性，对连接件进行增加至最大频率的优化。优化结构结束后，对优化后的结构进行强度评估分析（如图4）。

图4 增加至最大频率优化刚度分析

摩托车连接件经过增加至最大频率的优化后的结果如下：质量为217.1 g，对优化之前减少41.4 g，有效减重16.02%。材料减轻之后，最大米塞斯等效应力下降1.74 MPa；由于减少材料，最大形变位移增加0.0836 mm。最小安全系数提升0.3，达到增加至最大频率优化的目的。具体优化值在表1中列出。

1.3.3 目标为最小质量的优化

拓扑优化目标为最小质量优化，是在一定载荷工况不变的条件下，以厚度为约束条件，对连接件进行最小质量优化设计。优化结构结束后，对优化后的结构进行强度评估分析（如图5）。

图5 最小质量优化强度分析

摩托车连接件经过最小质量优化设计后的结果如下：质量为99.67 g，对优化之前减少158.83 g，有效减重61.44%。材料减轻之后，最大米塞斯等效应力上升15.85 MPa；明显看出最小质量优化设计，在载荷受力的位置有效合理的分布结构，受载荷位置的应力都明显增加，强度更高。但是由于材料减少61.44%，最大形变位移增加0.5196 mm，最小安全系数下降1.4。满足设计要求，达到最小质量优化的目的。具体优化值在表1中列出。

1.3.4 讨论分析

经过对摩托车连接件在一定载荷工况下，分别进行不同的设计目标即最大刚度设计、增加至最大频率设计、最小质量设计的拓扑优化，得到拓扑优化不同目标设计下的强度分析对比表（如表1）。对于摩托车连接件的工况和连接件本身结构性能需求来说，最大刚度优化质量为77.16 g，对优化之前减少181.34 g，有效减重70.15%，材料减轻之后，最大米塞斯等效应力有微小下降，同时最小安全系数相对于优化前的提升0.2；对于增加至最大频率优化设计，质量减重不是很明显，但是最小安全系数是3种设计目标中最大的。最小质量设计优化后实现减小自身质量61.44%的同时，最大米塞斯等效应力有升高，这是因为内部结构的优化实现的，优化后安全系数为1.4，相对于初始条件安全系数下降1.4。最小质量优化与最大刚度优化对比来看，很明显对于摩托车连接件的载荷工况和自身结构来说，最大刚度轻量化设计效能最高，最终选择最大刚度优化为目标设计是较为合理的优化方案。

表1 拓扑优化不同目标设计下的强度分析对比表

2 摩托车连接件的3D打印制作

本次实验最终得出目标为最大刚度设计的摩托车连接件效能最高，以优化后的模型为前提，利用UP Studio 3.0为3D打印模型的数据分析处理软件，使用太尔时代UP300 3DFDM熔融打印机设备分别打印优化前后的摩托车连接件。在打印前首先将优化后的零件使用Altair Inspire 中的polyNURBS 进行进一步的优化，最后将模型导出（如图6）。

图6 优化后模型

打印之前，首先确定好打印方向，然后选择合理的3D打印工艺参数，为了保证打印的摩托车连接件模型在受载荷的部位有更高的强度，可以在主模型中设计子模型的办法保证，即子模型采用100%的填充率，其他部位采用20%的填充率，这样不仅可以节约材料，还可以提高内部的强度。打印完成并进行后处理，得到优化后的连接件实物模型打印结果如图7所示。

图7 3D打印实物

3 结语

通过对摩托车连接件在同一载荷工况下，利用Altair inspire拓扑优化的方法进行3种设计目标的优化设计，得出摩托车连接件不是随着使用材料越多就越合理。通过合理的设计方案和设计目标，不仅仅可以提高原来摩托车连接件效能，同时实现轻量化设计。因此在设计零件时有效合理的轻量化设计，结合3D打印技术可以有效地提高零件的效能。