基于ansys的自行车车架拓扑优化设计

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1、第16卷第5期工Journ程alof设Engin计eering学Desig报nVo1．16No．52009年lO月Oct．2009基于ANSYS的自行车车架拓扑优化设计赵德斌，樊军，厉国柱(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830000)摘要：为了寻求自行车车架的最佳结构形状，对其进行拓扑优化设计．首先介绍拓扑优化的研究现状和数学模型，接着应用有限元分析软件ANSYS11．0对自行车车架进行拓扑优化设计，得出自行车车架的最佳结构形状为2个三角形，并对目前的自行车车架提出了改进措施．关键词：自行车；车架；拓扑优化；ANSYS中图分类号：TH122文献标志码：B文章

2、编号：1006—754X(2009)05—0391—04TopologyoptimizationdesignofbicycleframebasedonANSYSZHAODe-bin，FANJun，LIGUO—zhu(SchoolofMechanicalEngineering，XinjiangUniversity，Urumqi830000，China)Abstract：Inordertoseektheoptimalstructureshapeofbicycleframe，itstopologyoptimizationdesignwascarriedout．Thep

3、resentresearchsituationandmathematicalmodeloftopologyopti—mizationwereintroducedfirstly．Thentopologyoptimizationdesigntobicycleframebyfiniteele—mentanalysissoftwareANSYS11．0wascarriedout．Finallytheoptimalstructureshapeofbicy—cleframe，thatistwotriangles，isobtainedandthenimprovingmetho

4、dofthepresentbicycleframeisproposed．Keywords：bicycle；frame；topologyoptimization；ANSYS车架是自行车的骨架和主体，它的强度、刚度和化变量为板壳的厚度分布或杆件的横截面积；形状重量直接影响整辆自行车的承载能力和轻便程度．优化的优化变量为连续体的外形或杆系结构的节点随着自行车产业的发展，先后出现了各种结构形状坐标；拓扑优化的优化变量为连续体开孔的数量和的车架．图1是天津市欧尚自行车有限公司出品的位置或杆系结构的节点布局、节点之间的杆件连接几款自行车，矩形框内为其车架结构形状，图1(a)

5、关系．拓扑优化是对结构的形状进行优化，又形成了为左右两三角形车架，图1(b)为1个四边形和1个变厚度法、变密度法和均匀化法等研究方法．三角形，图1(c)为1根弯杠和1个三角形．为了在1854年，Maxwell进行了应力约束下最小重量较轻重量的前提下获得自行车车架的最大强度和刚桁架的基本拓扑分析，为拓扑优化研究奠定了基础．度，笔者采用ANSYS11．0对其结构形状进行拓扑1904年，Miehell提出了Michell桁架理论¨3]，拉开优化设计．了对拓扑优化研究的序幕．Michell桁架理论提出已逾百年，却未得到相应1拓扑优化概述的发展，还处于理论研究阶段，难以用

6、于工程实践．1964年，Dorn等提出了基结构法l4]，将数值理论引1．1拓扑优化的研究现状入拓扑优化领域，才使拓扑优化研究重新活跃起结构优化在其发展过程中逐渐产生了3种类来[5]．而均匀化法是由Bendsoe等于1988年提出来型：尺寸优化、形状优化和拓扑优化．尺寸优化的优的I6]，通过在设计区域内划分许多不同孔洞微结构收稿日期：2009—04—27．作者简介：赵德斌(1983一)，男，湖北枣阳人，硕士生，从事机械制造及其自动化研究，E-mail：zhaodehin@yahoo．corn．cn．工程设计学报第16卷所以，自行车车架拓扑优化的数学模型为：fmin

7、F()’r【s．j≤aVe其中：F为自行车车架结构的变形能；为第i单元的伪密度，0≤≤1；a为缩减体积百分比；Vz(a)两三角形车架为自行车车架优化前体积．2自行车车架的拓扑优化设计2．1拓扑优化前处理1)单元类型．需要定义编号为1，2的两种单元，(b)四边形十三角形车架单元l用于进行拓扑优化的区域，单元2用于不进行拓扑优化的区域．其单元类型均选择StructuralSolid／Quad8node82．2)材料属性．指定材料的弹性模量为2×10“Pa，泊松比为0．3．3)建立模型．建立长为1．2m，宽为0．6m的矩形面．(C)弯杠十三角形车架4)划分网格．选择单

8、元1，控制总体单元大小为