在零件设计中应用拓扑优化节约原材料- .pdf

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1、拦旦主持．挎⋯一峄／1ACAD／CAM／CAPP盘融。pplicationofCAD／CAM／CAPP在零件设计中应用拓扑优化节约原材料山东泰安泰德重工有限公司(271ooo)边炳传李清爽本文通过用UG软件对机床吊耳进行静态有限传统的零件设计方法是先进行结构设计，再进元分析，在此基础上，采用均匀化方法，对吊耳进行结构强度校核，这种传统的设计方法受设计者经行了拓扑优化设计。探讨了拓扑优化设计过程中：验的限制，在一般情况下设计者思想比较保守，在基本模型建立、优化区域选择、优化过程控制及优设计过程中往往盲目的加大零件尺寸，在一定程度化结果分析与应用等问题。实现了拓扑优化在吊耳上造成浪费。结构的初始设

2、计过程中的应用。本文在吊耳设计中引入拓扑优化设计法，从而结构优化可分为：结构尺寸优化处于产品的详得出最优结构，所用原材料也最节约。细设计阶段，形状优化处于产品的基本设计阶段，1．建立拓扑优化数学模型及零件有限元模型拓扑优化处于产品的概念设计阶段。本次做的拓扑(1)数学模型的建立以结构最优、重量最优化是在设计区域内以满足平衡力、应力、位移等小，以应力为约束的优化模型。约束为前题，改变结构的拓扑形状，使零件结构达求f∈E“，使=I，w(f)一min。到最优化。满足：Sit≤(平均)(i=1，2，⋯，L)，0≤t，拓扑优化的最大优点是：能在不知道结构拓扑≤1“=1，2，⋯，力)一形状的前提下，根据已

3、知边界条件和载荷条件确定式中，f为拓扑设计变量；为结构总重量；，是第出较合理的结构形式，它不涉及具体结构尺寸设个单元在第t号工作状况下的应力；S(平均)为应计，提出最佳设计方案。力约束上限；L为载荷总数；n为单元总数。准位移误差两个原因，应用定义尺寸法计算可得一AD=T／2；对于H2基准重合且没有基准位移误差，，7＼＼}即AD：=0；对于，既有基准不重合误差，也存fl在有基准位移误差，同样应用定义几何法求得△支承板／DH。＼厂可调V形块＼C14．结语＼不论以何种形式标注键槽深度，以支承板及可==调宽V形块组合定位形成的定位误差均小于以单一。止。IlV形块定位形成的定位误差，且当键槽深度以工件的

4、下母线标注时，定位误差为⋯0。新定位方案对减少工艺系统原始误差，提高工件加工精度，显图3新定位方案然有实际的工程意义。MW对于H。的定位误差有基准不重合误差和基(收稿日期：20120310)参磊冷加工75／ICAD／CAM／CAPPk~f]pplicationofCAD／CAM／CAPP用对偶规划求解此优化模型，经多次工况代3．拓扑优化结果分析与零件外形设计入后得到结构在重量最小时的每个单元的拓扑变有限元模型的生成：几何模型是有限元模型的量，并实现拓扑图形的变更，当单元的拓扑变量为基础。本文使用UG软件系统，建立其三维空间几何0时，表示该设计变量下的该单元被删除，在图形模型。在吊孔顶端承受的最

5、大应力是85MPa，由于中显示白色，ti为1时表示该设计变量下的单元已保该零件是用Q235一B材料，屈服极限为230MPA，安留。拓扑图形显示红色。全系数取2．4，可得许用应力为230／2．4=95．8MPa，(2)建立拓扑优化结构吊耳的基本结构为所以最大应力小于许用应力，能够满强度要求。24mm×lOOmm×150mm的长方形板，有一直径为4．优化程序的应用35mm的孔，弹性模量为205GPa，泊松比为0-3，用拓扑优化程序，经过10多次的优化后，得到材料密度为7850kg／m，总作用力为41kN，划分为如图1所示的结构。图中黑色区为保留区，白色区20mm×24个四节点四边形单元。为除区。从

6、图中可以看出优化后节约了钢材。2．吊孔上边界载荷分布计算载荷在吊装孔边界上，载荷的大小分布不均门匀，孔的上部分是主要受力区，所以用正弦函数来：表示力的分布情况af-Asin(3．14x12r)(1)．：图1吊耳的拓-H、优化结构式中，，为载荷；A为最大作用载荷；X为作用节点的坐标轴数值；，为孔的半径。用uG进行有限元分析后，零件的质量、应载荷在吊孔直径上的积分等于作用在吊孔上的力、最大位移得到了改善。总力在实际工作中，以优化结果为依据，将吊耳设fdx=F(2)计成为如图2所示结构并得到应用，优化前后结果将(2)代人(1)得对比如表2所示。Asin(3．14xl2r)dx=F(3)解得：A=3．

7、14F／4r(4)将(4)代入(1)中则Ox(3．14F／4r)sin(3．14x12r)(5)所以任意节点的施加载荷为：』(3．14F／4r)sin(3．14x／2r)dx(6)式中，／1为施载荷的节点号；为分布载荷作用区的下限坐标值；6为分布载荷作用区的上限坐标值。(b)优化后根据式(6)可得各节点载荷的数值，如表1所示。图2表1各节点载荷的数值表表2结果对比积分区／mm载荷，N节点载荷／N零