1 概述
在大型工業(yè)零件的設(shè)計(jì)中，優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)逐漸被結(jié)構(gòu)工程師所接受，然而在家用生活產(chǎn)品中卻鮮有應(yīng)用。這是這些產(chǎn)品造價(jià)低成本小，對結(jié)構(gòu)可靠性要求不高。設(shè)計(jì)師身兼造型、結(jié)構(gòu)甚至工藝等多個(gè)職責(zé)，概念設(shè)計(jì)時(shí)就憑借經(jīng)驗(yàn)將結(jié)構(gòu)基本定型，有很大的局限性。
在全球化競爭日趨激烈的今天，智能電子產(chǎn)品對結(jié)構(gòu)的要求越來越高，因此對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。例如高端智能手機(jī)都已經(jīng)進(jìn)行跌落試驗(yàn)以保證在惡劣工況下內(nèi)部芯片不會受到致命的損傷。而優(yōu)化技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，門檻變得越來越低，Altair作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)者，推出了solidThinking Inspire軟件，該軟件幾乎可以使毫無優(yōu)化基礎(chǔ)的造型設(shè)計(jì)師方便的使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)[1]，從而在概念設(shè)計(jì)階段找到最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜合實(shí)用性及美學(xué)特點(diǎn)得到一個(gè)成功的工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。
2 設(shè)計(jì)思路
眾所周知，自行車經(jīng)過近百年的發(fā)展已經(jīng)趨于完美，然而結(jié)合優(yōu)化技術(shù)后得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)又是什么樣子呢？本文站在一個(gè)造型設(shè)計(jì)師的角度上，從無到有，利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)尋找雙人自行車最佳的結(jié)構(gòu)拓?fù)渎窂剑⒔Y(jié)合實(shí)用性和工藝性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)美觀大方新型自行車。
目前，傳統(tǒng)的自行車只是個(gè)人代步工具，只能乘坐一人，如果后座載人又會增加騎車人的負(fù)擔(dān)，有一定的安全隱患。于是雙人自行車應(yīng)運(yùn)而生，然而目前雙人自行車雖然原則上可以單人騎行，但是對于單人由于車長增加，太過笨重，限制了其大范圍推廣。于是，開發(fā)一種新型自行車就成為大勢所趨。
自行車因其私密性往往不會出現(xiàn)與陌生人共用一輛的情況，如果在保持單人自行車原長度不變的情況下，將駕駛?cè)俗魏统丝妥芜B成一體，同時(shí)后軸增加乘客踏板，那么既能減輕駕駛?cè)说呢?fù)擔(dān)又增加了騎行的樂趣。根據(jù)這個(gè)思路，利用Inspire提供的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在有限的車長空間內(nèi)找到最符合力學(xué)結(jié)構(gòu)的管梁，在不增加傳統(tǒng)自行車的重量的基礎(chǔ)上，使其高效發(fā)揮代步作用。
3 應(yīng)用Inspire的優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.1幾何模型
參照目前自行車的尺寸，確定該新型自行車的車輪、車把、車座以及腳踏板的位置，在CAD軟件中建立這些部分的幾何模型。這些部分是自行車的必備零件，可供優(yōu)化的空間不大，故將其作為非設(shè)計(jì)空間參與計(jì)算，如圖3-1所示。
圖3-1 非設(shè)計(jì)空間幾何模型
由于雙鏈條動力部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且與造型設(shè)計(jì)無關(guān)，故本文不再贅述，也不顯示在幾何模型中。根據(jù)傳統(tǒng)自行車車架可能分布的位置，兩輪中間建立設(shè)計(jì)空間作為拓?fù)鋬?yōu)化求解的空間位置，如圖3-2所示。
圖3-2 設(shè)計(jì)空間幾何模型
將上面兩個(gè)幾何模型都導(dǎo)入Inspire中，定義設(shè)計(jì)空間與非設(shè)計(jì)空間，如圖3-3所示，紫紅色部分為定義好的設(shè)計(jì)空間。由于自行車車架本身是左右對稱的，為了得到更好的優(yōu)化結(jié)果，給設(shè)計(jì)空間施加左右對稱約束。
圖3-3 Inspire中劃分好的幾何模型
3.2邊界條件
對自行車行駛工況的邊界條件分析需要幾個(gè)前提：
1.在概念設(shè)計(jì)階段只考慮自行車所受到的靜載荷，不考慮動載荷；
2.自行車所受外力只有自身重量和乘員重量，本文以兩個(gè)成年男性為例，采用汽車中采用的每名乘員75kg的標(biāo)準(zhǔn)；
3.手動調(diào)整載荷方向使之符合大多數(shù)人的身高及騎行姿勢；
4.不考慮輪胎的壓縮，僅將前后兩個(gè)車軸中心全約束。
按照駕駛?cè)蓑T車的姿勢可以設(shè)置低速滑行和勻速蹬踏兩個(gè)工況。在低速滑行階段，駕駛?cè)酥匦拇蟛糠痔幱谲囎�，雙腳自由放置在踏板上，輕握車把；而在勻速蹬踏階段，駕駛?cè)酥匦那皟A，腿部和手部用力蹬踏。根據(jù)騎車人的不同姿勢，可以大致將兩個(gè)乘員的重量分配到各個(gè)受力部分。自行車受到的總乘員載荷150kg，合計(jì)1470N。
兩個(gè)工況的具體載荷參數(shù)如表2-1所示。
表2-1 載荷具體參數(shù)
約束和載荷在Inspire中是用紅色的小圓錐和小箭頭表示的，如圖3-4所示。值得一提的是，在Inspire中重力的施加是自動完成的，只需在求解時(shí)選擇重力的方向即可。
圖3-4 載荷施加位置
3.3求解過程
Inspire中的建立求解的過程非常簡單，只需要在求解頁面中提交幾個(gè)簡單的參數(shù)即可。值得注意是軟件中的求解器是HyperMsh軟件包中的OptiStruct專業(yè)級優(yōu)化求解器，可以最大程度上保證求解精度，無需擔(dān)心結(jié)果的可靠性。
該求解器在Inspire中采用變密度法的優(yōu)化方法，以設(shè)計(jì)域單元密度作為設(shè)計(jì)變量，全局質(zhì)量分?jǐn)?shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)變能（柔度）作為結(jié)構(gòu)響應(yīng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為約束條件，目標(biāo)函數(shù)為最小結(jié)構(gòu)應(yīng)變能。然而作為設(shè)計(jì)師無需了解這些復(fù)雜的方法，僅需要選擇質(zhì)量約束就可以完成整個(gè)分析。當(dāng)然，軟件也提供了最小尺寸，振動目標(biāo)等參數(shù)供高級設(shè)計(jì)師使用。
3.4計(jì)算結(jié)果
提交計(jì)算后，可以得到的最終結(jié)果。為了得到較好的結(jié)果，可以嘗試更改不同的質(zhì)量約束或最小尺寸等參數(shù)，多次計(jì)算后選擇最好的結(jié)果如圖3-5所示。
圖3-5 優(yōu)化結(jié)果
首先，通過計(jì)算結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)自行車相比，通過優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)出的車架同樣呈倒三角形結(jié)構(gòu)，這說明目前的自行車車架基本符合其工況力學(xué)特點(diǎn)。第二，由于座椅承擔(dān)載荷兩個(gè)乘員的大部分重量，所以在其底部呈現(xiàn)了一定的材料堆積，這說明在車架后部時(shí)應(yīng)該增加梁的截面積或者增加梁的數(shù)量。第三，連接前后輪的主梁并沒有與傳統(tǒng)自行車的轉(zhuǎn)向柱相連，這將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向困難，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)向要求。
將最終的結(jié)果通過stl文件導(dǎo)出到CAD軟件中進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算出的最優(yōu)拓?fù)渎窂�，考慮自行車車架制造工藝，采用圓截面鋼管進(jìn)行搭建，如圖3-6所示。
圖3-6 重建的幾何模型
在這個(gè)設(shè)計(jì)中，出于成本控制的考慮，將所有梁設(shè)計(jì)為統(tǒng)一規(guī)格型號。在后部車座底部設(shè)置四個(gè)粗壯圓梁用來支撐乘員的重量。將常見的轉(zhuǎn)向柱設(shè)置到車架主梁上，這樣既符合最優(yōu)拓?fù)渎窂�，又帶來了新的駕駛體驗(yàn)。
值得注意的是，solidThinking軟件包中的另一款Evolve可以和Inspire無縫集成，直接將優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入到Evolve中進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。本文的造型設(shè)計(jì)較為簡單，故直接在原CAD軟件中設(shè)計(jì)即可。
4 應(yīng)用Evolve的渲染
在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，如果為了得到更好的顯示效果，需要對模型進(jìn)行真實(shí)材料光照等渲染效果圖。本文將重建后的幾何模型導(dǎo)入到solidThinking Evolve中進(jìn)行渲染，如圖4-1所示。
圖4-1 Evolve中的渲染設(shè)置
與常見的造型軟件類似，Evolve除了提供了四個(gè)窗口、三種角度視圖和三維視圖以外，其還有一個(gè)簡單高效的渲染引擎，能夠在默認(rèn)的效果下生成很多驚艷的效果。例如將上面的幾何模型賦予一部分材質(zhì)后直接渲染得到的效果如圖4-2所示。
圖4-2 Evolve中的默認(rèn)渲染效果
5 結(jié)論
本文采用solidThinking軟件，利用優(yōu)化技術(shù)從無到有設(shè)計(jì)出了一輛雙人自行車的車架，并且在較短的時(shí)間內(nèi)完成了對新設(shè)計(jì)的渲染工作，得到了令人滿意的效果。
在設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們可以看到，應(yīng)用solidThinking Inspire軟件，造型設(shè)計(jì)師可以在幾乎沒有CAE基礎(chǔ)的情況下，獨(dú)立完成拓?fù)鋬?yōu)化工作，在概念設(shè)計(jì)階段將造型與力學(xué)完美的結(jié)合起來。同時(shí)，對于CAE工程師來說，可以免去繁雜的網(wǎng)格劃分工作，應(yīng)用solidThinking Evolve可以在沒有任何美學(xué)基礎(chǔ)的情況下，同樣生成美觀大方的渲染效果圖。
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本文標(biāo)題：solidThinking在自行車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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