e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

基于拓扑优化的板束焊接生产线创意设计研究

2018/8/31    来源:互联网    作者:张婧  姜峰      
关键字:拓扑优化  机械装备  板束焊接生产线  仿真分析  
本文对板束焊接生产线进行创意设计研究,运用solidThinkingInspire软件寻求满足功能条件下的最佳结构形式,再通过头脑风暴、仿真验证、人机工程设计等,使产品结构紧凑、外形美观、安全耐用、性能优良、易于制造。

    引言

    机械装备外观设计有别于消费品设计,它具有体积大、工作强度高、使用环境特殊、非标设计、生产批量小等特点,因此,外观造型不受重视,经常按照以往的经验进行设计。但是,出色的机械装备外观设计真正要解决“形态与结构匹配性问题”与“美学问题”之间的协调和平衡。造型设计的首要任务就是形态与结构的匹配,其次,在解决形态与结构匹配的基础上,解决产品美观问题。本文对板束焊接生产线进行创意设计研究,运用solidThinkingInspire 软件寻求满足功能条件下的最佳结构形式,再通过头脑风暴、仿真验证、人机工程设计等,使产品结构紧凑、外形美观、安全耐用、性能优良、易于制造。

    1 拓扑优化概述

    拓扑优化就是根据一定的准则,在满足各种约束条件和使用功能的情况下,在给定设计空间内去除不必要的材料,找出最佳材料分布,使结构在规定范围内达到最优化。通过这项技术的应用,可以使用最少的材料、最简单的工艺实现结构的最佳性能。在保证正常使用功能的前提下,提高产品质量既满足安全可靠、效益显著,又满足降低能源与材料等的消耗,保护环境,这也符合目前建设节约型社会的需要。

    solidThinking Inspire 软件是数字产品开发中的一项具有开拓性的成果,它在一个友好易用的软件环境中提供了仿真驱动设计的工具。它应用于设计的早期,帮助用户生成和探索高效的结构基础。solidThinking Inspire 采用美国 Altair 公司先进的 OptiStruct 优化求解器,根据给定的设计空间、材料属性及受力需求生成理想的形状,根据软件生成的结果进行再设计。

    2 板束焊接生产线优化设计

    板束焊接生产线主要用于制造大型热交换产品的焊装生产线,它主要由9 个龙门架、18 个油缸、工作台、小车等组成。运用solidThinking Inspire 软件对龙门架进行拓扑优化,寻求龙门架最优造型结构。

    2.1 设计空间定义

    所谓设计空间就是优化前的初始结构,在优化过程中不改变非设计空间,通过优化计算,挖掉设计空间中的多余部分,所剩部分构成的形状被认为是结构优化的结果。设计空间一般选取优化对象所占据的最大可能区域,以充分挖掘优化潜力,同时要保证约束及载荷能够有效传递到结构上,以及结构的工艺性。

    板束焊接生产线体积大、工作强度大,对人—机—环境协调性要求很高,龙门架设计必须充分考虑到人机操作尺寸、机器运转尺寸、工作台活动范围等因素,建立基础模型,如图1所示。油缸安装孔、龙门架固定基础,如图中灰色区域;设计空间:其他区域,如图中红色区域。

    1

    图1 基础模型设计空间

    2.2 约束与载荷

    在满载工况下,对龙门架两个油缸处分别添加1.5MN 集中力,对底端施加约束,并添加对称。进行拓扑优化,保留质量30%。考虑最大工作载荷,对龙门架油缸安装孔分别添加1.5MN 集中力,对底端施加固定约束,添加结构对称约束。优化目标为最大刚度,质量目标保留30%,厚度约束最小为0.09m,如图2所示。

    2

    图2 基础模型约束与载荷

    2.3 优化结果

    对板束焊接生产线龙门架拓扑后得到模型,如图3 所示。为进一步验证拓扑后模型的结构强度,用Inspire 软件进行有限元计算,得出:最大等效应力为123.6MPa、安全系数为2.8(大于2.0)符合设计要求,应力云图、安全系数分布图如图4、 5 所示。

    3

    2.4 灵感捕捉

    由工业设计、机械设计、工程力学等不同专业组成的10 人团队,对龙门架拓扑后造型进行头脑风暴,经过讨论的拓扑后造型相似编钟、虎头帽、古币、夹子、头盔、擎天柱等。因机械设备与擎天柱相似度较高,最终选取擎天柱作为设计灵感。

    4

    图6 头脑风暴发散图

    2.5 提取对象特征

    擎天柱是动漫作品《变形金刚》中的主角,主体为红、蓝二色,颜色对比鲜明、辨识度极高,身躯其余部分为铁灰色,色泽厚重、极富质感,造型剑拔弩张,富有张力。

    5

    图7 擎天柱特征提取图

    2.6 手绘草图

    运用photoshop 软件对擎天柱的外形轮廓进行提炼,并结合拓扑后的原始造型,手绘草图,初步确定龙门架造型方案。

    6

    图8 龙门架草图

    2.7 模型建立

    运用Solidworks 软件对全焊板束装配生产线建模并组装,通过零件装配、干涉检查、及工作空间测量,验证了该生产线功能性满足设计要求。

    7

责任编辑:张纯子
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐