注吹机上模板结构的精细化优化设计

文中以某公司新型注吹机上模板为研究对象，利用SolidWorks和HyperWorks分别进行三维参数化建模与力学性能分析，并运用有限元中的优化模块对上模板进行结构优化设计，并根据拓扑优化分析结果、模板的设计要求和制造工艺要求，获得了拓扑优化后的模板结构。经公司生产实践，该模板结构达到设计要求，结构合理，很好地解决了工程中的实际问题。

1）静力学分析

根据材料力学弯曲强度理论公式，并结合注吹机安装尺寸和设计要求，初步确定上模板的外形尺寸：长度为1632mm，宽度为240mm，初始高度为300mm。其外形如图1所示。

图1上模板的外形图

将升降导杆简化为刚性体，与上模板的连接看成是刚性连接；在模板的对称面上施加对称约束；在安装注芯主板位置处添加对上模板的Z方向的位移约束。

液压缸合模力是通过螺栓作用于上模板，因此，可将每个螺栓孔看成一个节点，即共有10个节点，其合模力简化为作用于上述节点的均布载荷。上模板添加的边界条件及载荷情况如图2所示。

图2 上模板的边界条件与载荷

由应力云图可看出，上模板的应力大部分都在30.0MPa以下，受力情况较均匀，整体应力值很小，最大应力位于螺栓节点处，为95.1MPa，可见该模板应力裕度很大。从位移云图可以看出，总体趋势为离模板中心越远，上模板的变形量就越大，最大变形量约为0.098mm，根据设计要求其变形量最大为0.3mm，同样其变形量裕度过大。

图 3上模板位移和应力云图

2）建立拓扑优化模型

模板优化模型与之前的有限元分析模型的建模过程相似，网格划分、边界条件与载荷的添加一样，不同的是，拓扑优化需选取整体模型作为优化对象，因此并不需要设置对称约束。同时，在优化前要将模板结构划分出设计区域和非设计区域，其中，对于在优化设计时不允许改变的区域，如导孔、载荷和约束区域等，将其划分为非设计区域，其余为设计区域。然后再进行网格划分，得出优化模型如图4所示。

图4 上模板拓扑优化的有限元模型

3）定义优化数学模型

根据模板拓扑优化数学模型，定义其设计变量，约束函数及其目标函数。

4）分析拓扑优化结果

优化分析结束后，进入到Hyperview后处理中查看优化结果，得到经过60步迭代，伪密度云值为0.3~1的密度云图，如图5所示。

图5上模板拓扑优化结果

5）二次建模及静力学分析

基于拓扑优化所得到的优化结果，结构边界呈现不规则性，直接由优化结果建立CAD模型是行不通的，需要对优化结果进行适当的简化和修改。依据拓扑优化结果中伪密度云图的大致结构，保留结构受力的主要路径，结合经验对结构进行重新设计，在设计过程中对拓扑优化结构进行一定的调整，可用近似的规则形状代替不规则形状。在SolidWorks中建立优化设计后的实体模型，其模型如图6所示。

图6优化后上模板实体模型

二次分析得到模型的应力云图和位移云图如图7所示。

图7优化后上模板应力和位移云图

从图中可知，优化后的上模板最大应力为104MPa，最大变形量为0.200mm，其强度和刚度都能满足要求。

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