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摘 要
个人设计的停车场结构有较多的冗余，本文针对停车场运输机构的第三层进行结构优化。用inspire进行静力学分析，判断结构是否有轻量化空间。以设计空间的单元相对密度为设计变量、以刚度最大化为设计目标；以厚度为约束条件，建立拓扑优化模型。考虑挤出和非挤出两种工艺下的不同方案，对拓扑结果进行polyNURBS几何重构，最后比较两种方案的轻量化效果以及Von Mises应力、位移结果，选择出最优的优化方案。结果表明：在保证强度条件下，模型的质量减轻了57.5%，为该停车场部件的设计与生产提供了新思路。
关键词：停车场部件；拓扑优化；polyNURBS
1、 问题的提出
团队本科参加过大学生机械创新大赛，自行设计一款停车场，如图a所示，这个停车场方案获得了省二等奖。但在结构上出现了材料冗余、导致整个停车场部件很笨重。
特别是停车场运输机构的第三层,如图b与c所示，该机构是停车场运输机构部件中承载要求较高的部件，但材料冗余现象非常严重。为此，团队基于inspire进行第三层运输机构的轻量化设计。
图1 停车场构件基本信息
2、 原结构校核
因实际停车场体积较大，加工起来成本较高，所以我们设计的是按比例缩小后的模型。本文研究的停车场为提高运行安全性，增加结构刚度，整个停车场所有结构均采用钢Q235制造。该材料的性能参数如表1所示。
表1 运输机构材料及力学性能
| 材料 | 密度ρ（kg/mm3） | 屈服极限（MPa） | 弹性模量（GPa） | 泊松比 |
| Q235 | 7.85ⅹ10-6 | 235 | 207 | 0.28 |
第三层运输机构约束及载荷为：第一个是第二层运输机构向下施加的1000N力、第二个是驱动电机给机构施加的向上的力为500N、第三个是与丝杠配合的孔在丝杠工作过程中受到的100N轴向力、第四个是两个固定杆对它的固定约束。不同力的施加位置如图2所示。
图2 约束及载荷的施加
静强度分析后，查看构件的VonMises应力以及位移，由图3可知，最大应力为47.5MPa，最大位移是0.087mm，而该材料的屈服极限为235MPa，留有足够的轻量化设计空间。
图3静力分析结果
3、 建立设计空间和形状控制
如图4所示，优化前需要将模型划分为设计区域和非设计区域，设计区域以红棕色表示。将运输机构第三层受到的第二层向下压力区域以及电机提供的向上力区域为不可优化区域，中间与丝杠配合的内螺纹孔所在平板和与两个固定杆配合的光滑圆孔为不可优化区域，其他位置为可优化区域。
图4 建立设计区域
设计空间设置好后，需控制两个悬臂优化过程中对称，以保证制造工艺的可行性。本文使用两种方案进行结构优化，方案一添加对称约束；方案二以添加挤出的形状控制，具体参数如表2所示。
表2 方案对比
| 方案一 | 方案二 | |
| 优化目标 | 最大化刚度 | |
| 质量目标 | 设计空间总体积30% | |
| 厚度约束 | 最小厚度7.5mm | |
| 频率约束 | 无 | 最大化频率 |
| 形状控制 | 对称 | 挤出 |
4、优化结果与polyNURBS重构
两种优化方式生成的优化结果有很大差别，以对称方案拓扑优化得出的结果如图5所示，两个悬臂内部被掏空，外部结构无明显变化。以挤出方案拓扑优化得出的结果细节更为精致，如图6所示。两个悬臂孔洞较为均匀，易于后期的几何重构及加工制造。
图5 方案一拓扑优化结果
图6方案二拓扑优化结果
根据拓扑优化后的结果，将两种拓扑结果进行几何重构。利用inspire强大的polyNURBS拟合功能，可以直接在拓扑结果上进行高效重构。重构几何模型时，利用polyNURBS的包覆、桥接、锐化等功能将悬臂拟合拓扑结果，并与非设计区域缺失连接材料的部位建立连接。其中，在方案一中将非设计区域与设计区域重构为整体，在方案二中利用布尔运算连接所有部分。两种几何重构如图7所示。方案一模型质量0.411kg，方案二模型质量0.569kg，方案一轻量化效果更好。
a）方案一几何重构
b）方案二几何重构
图7 两种方案的几何重构
5、强度校核及结果分析
将两个方案重新进行静力分析，载荷、约束、材料、属性的设置不变，分析结果如图8、图9及表3所示。
a）方案一应力云图
b）方案二应力云图
图8 两种方案的应力校核
表3 优化结果
| 质量（kg） | 最大位移（mm） | 最大应力（MPa） | 质量减少% | |
| 优化前 | 1.340 | 0.087 | 47.5 | —— |
| 方案一 | 0.411 | 0.156 | 166.4 | 69.33% |
| 方案二 | 0.569 | 0.152 | 171.2 | 57.54% |
图9 优化结果评价
由表3可知，两种优化方案都有较大程度地轻量化，方案一质量减少了69.33%，方案二质量减少了57.54%，方案一轻量化程度更高。最大应力方面，方案一与方案二最大应力相差不大，考虑到电机驱动工况稳定，且安全系数皆大于1.2，而Q235材料的屈服强度235MPa，能够满足安全性。考虑到实际制造工艺与生产效率等因素，综合考虑，选择方案二为最终优化结果，用Solidthinking Evolve渲染的结果如图10所示。
图10 Solidthinking Evolve 渲染结果
6、结语
1）经拓扑优化后，模型的质量减少57.54%，减重效果良好，校核后强度仍能满足安全系数和使用要求，在频繁的停车场使用工况中节约了电力成本。由于模型悬臂去除的材料较多，外形趋于复杂，设计挤出工艺可以降低加工难度，在批量生产中可以降低生产成本。
2）利用inspire在模型前处理中的高效便捷，可以轻易对导入的模型进行修补破面，简化圆角等直接操作，在对模型校核分析时，无须考虑传统CAE分析软件中的网格及其质量问题，弥补了我们团队中CAE基础薄弱的问题，快速将该停车场运输结构改进的模型从想法付诸于仿真实践。
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