【《某初代一体式快速水渠模具拓扑优化设计分析案例》2900字】

某初代一体式快速水渠模具拓扑优化设计分析案例目录1.1引言拓扑优化理论最早于1904年经Michell提出，近年来在汽车工业、机械、航空航天及新型材料等行业取得了快速的发展[7-10]，拓扑优化是在特定载荷和约束的条件下，确定零件的最佳外形，或者最小的体积或者质量的一种方法。本文将通过ANSYSworkbench对一体式快速水渠模具展开拓扑优化设计研究，在设计研究时，考虑水渠的制造形状、宽度、厚度等问题，对理想化模型进行拓扑优化的思想，在拓扑优化后保留拓扑优化的结构，使结构最优化，最大限度地优化对整体结构强度影响较小的可去除面积。1.2利用ANSYS拓扑优化流程结合水渠制造时的结构，形状等内容，对理想在运行工况下，对模型进行拓扑优化，本章的流程图如图1.1所示图1.1ANSYS一体式快速水渠模具拓扑优化流程图Fig.1.1topologyoptimizationflowchartofANSYSintegratedrapidcanalmold1.3一体式快速水渠模具设计要求以中国广西壮族自治区南宁市兴宁区昆仑大道1258号广西交通职业技术学院北门左边30米的排水渠作为拓扑形状参考。图1.2水渠实际造型参考Fig.1.2referenceofactualcanalmodeling图1.3水渠数据尺寸图Fig.1.3channeldatasizediagram结合参考目标对实物进行尺寸测量，并以此作为ANSYSworkbehch拓扑优化作为数据参考基础，一体式快速水渠模具的作用最后应呈现类似U的形状如图1.3所示，左边与右边的壁厚为300mm、槽宽为600mm、槽深为600mm。根据如图1.2所示，对水渠实际造型参考对一体式水渠模具有如下设计要求：（-）在使用区域的不同应能满足其使用的要求如排水抗洪、农田引水灌溉、高速公路排水。（二）制造的一体式水渠应满足使用的强度要求，使用寿命长，工作可靠，应不能造成水泥掉落，腐蚀等情况的发展。（三）实现机器一体化水渠生产，减少人工输出。（四）可实现水渠的尺寸变化，改变槽宽、槽深、槽厚等参数。（五）减少施工人员的输出，解决地域问题的人工流动。（六）保证能一次性成型水渠，不需要多次复工。（七）设计机构应合理，做到质量最轻，成本低。结合设计要求出发，对一体式快速模具进行系统化设计，应先从外形尺寸开始进行设计。1.4初代水渠模型构思为了能缩短设计周期，提高效率，由于水渠结构复杂，应先从主要部分开始进行设计（水渠的外部分），把模型理想化应去除掉多余部分，可方便CPU的运行，减少负载，化简如图1.4所示。图1.4初代理想模型长宽高示意图Fig.1.4schematicdiagramoflength,widthandheightoftheoriginalidealmodel初代理想模型是运用UG三维建模软件来完成建模，UG软件命令有着明显的辨别性，可快速绘画成功，图1.4一体式快速水渠模具的长度为6000mm，宽度为1500mm，高度为1800mm。图1.5初代理想模型多面视角示意图Fig.1.5schematicdiagramofmultipleperspectivesoftheearlygenerationidealmodel图1.5为初代理想模型的多面视角示意图，更直观的观察模型是否正确，可用多面显示在UG显示中进行数据的调整，来保证拓扑优化化与实际实物尺寸的精度。1.5水渠模具形状拓扑优化有限元建模拓扑优化时建立的初始的几何模型是极为重要的，应该结合实物建立合理模型，在设计优化时可达到良好的收敛结构[11-12]，故不应做到一体式快速水渠模具优化空间的最大化，并考虑成本，制造工艺等问题，一体式水渠模具主要是通个实物模型尺寸的最大化其目的是确定水渠制造的挡板厚度以及结构等相对位置。根据水渠的形状、加结构及受力特点等及进行构筑一体时快速水渠模具结构的拓扑空间，一体式水渠模具的结构设计数据为：长度6000mm，宽度2270mm。运用UG三维建模软件进行拓扑零件的建模。在进行设计优化时，结合水渠的结构基本形状不变，使在模拟运行工况下让结构最优化步，把对于结构影响较小的部分运用拓扑优化去除面积。1.5.1初代一体式水渠模具单元的选择将UG建立好的三维模型结构导入相对于ANSYSworkbench所能认识的文件，采用ANSYSworkbench对初代一体式水渠模型进行单元的选取，在使用拓扑优化模块应进行单元类型的设定，在特定时况下只有二维实体单元有SOLID2和SOLID82，三维实体单元有SOLID92和SOLID95两种，二维单元采用于解决平面问题，对于初代一体式快速水渠模具本次设计结合结构特点，并依据ANSYS拓扑优化模块单元属性，本次设计采用SOLID95单元[13]，如表1.1所示。表1.1拓扑优化模块单元属性示意图Table1.1schematicdiagramofunitattributesoftopologyoptimizationmodule类别形状和特性单元类型3-D实体块SOLID45、SOLID95、SOLID73、SOLID185四面体SOLID92、SOLID72层SOLID46各向同性SOLID64、SOLID651.5.2初代一体式快速水渠模具材料属性定义一体式快速水渠模具，应考虑使用环境暴晒、雨淋、风吹、潮湿等环境，整体采用的材料为Q235，在ANSYSworkbench里打开EngineeringData来定义材料属性，查找工程材料查询Q235材料主要特征有弹性模量、剪切模量、泊松比、质量密度等。一体式快速水渠模具所采用的材料参数：杨氏模量（E）、泊松比（ε）、质量密度（kg/m3），如表1.2所示：表1.2材料主要参数Table.2-2mainparametersofmaterials对象材料屈服强度弹性模量泊松比质量密度一体式水渠模具Q235A235MPa210GPa0.37850kg/m31.5.3网格划分初代一体式水渠模具采用的网格形式为默认网格划分，根据一体式快速水渠模具划分后所得到的离散结果，得到单元数为46546，11164个节点，如图1.6所示。图1.6初代一体快速式水渠模具网格划分Fig.1.6meshdivisionofthefirstgenerationintegratedrapidchannelmould1.6初代一体式快速水渠模具边界约束和边界载荷1.6.1初代一体式快速水渠模具边界约束边界约束在拓扑优化设计中是必不可少的一部分同时也决定了拓扑优化结果的优良性，故需要选择一体式快速水渠模具的运行工况来模拟。一体式快速水渠模具，在工作放置好水渠模具，在所需要的区域进行水泥灌溉，两侧挡板会受到均布力方向向外，力的大小取决于水泥自己的重量为300N。1.6.2施加设计载荷及求解结果在一体式快速水渠模具的外围三角支撑处两侧施加设计的载荷。图1.7中红色为初代一体式快速水渠模具的载荷施加，图中蓝色为一体式快速水渠模具的边界约束条件，在ANSYS拓扑优化模块中为求出内部结构对载荷进行反向施加。图1.7一体式快速水渠模具施加边界条件示意图Fig.1.7schematicdiagramofboundaryconditionsappliedbyintegratedrapidcanalmold初代一体式快速水渠模具，在ANSYSworkbench拓扑模块中检查设计确定载荷的区域是否正确如图1.7所示，在进行定义控制优化的过程、优化和非优化区域、减少材料的百分比，其中在运行拓扑优化时会选择拓扑的百分比，百分比的设定对拓扑优化后的模型观察是否符合可用性的标准。图1.8体式快速水渠拓扑保留40%Fig.1.8topologyofasanafastchannelisreservedby40%图1.9体式快速水渠拓扑保留60%Fig.1.9thetopologyofasanafastchannelisreservedfor60%在ANSYSworkbench对操作好的边界约束及边界载荷进行检查，在ResponseConstraint中输入百分之40、百分之60、百分之55，对Solution进行求解得到如图1.8、图1.9、图1.10结果图，在进行多次拓扑优化后根据参数设置经验，一体式快速水渠模具当减少材料的百分比到达40时，将导致优化后无法收敛，材料大于百分50时，收敛性能较好。图1.10一体式快速水渠模具拓扑保留55%Fig.1.10integratedrapidchannelmoldtopologyretention55%图1.11一体式快速水渠模具拓扑去除部分Fig.1.11IntegratedRapidDrainMoldTopologyRemovalSection经过多次参数设计本次设计采用保留百分子55%材料，在一体式水渠进行工作时拓扑优化后区域符合