SolidThinking Inspire平台在爬行小车腿部零件拓扑优化中的初探

课题背景

鉴于项目相关保密要求，说明些许情况如下：某型六足爬行机构由无刷电机驱动，二级齿轮组减速；机体自身质量不足18g，能够额外承载计17g左右，单自由度爬行速度约0.4m/s。借助于solidThinking Inspire的拓扑优化模块和3D打印技术——DLP光固化技术，完成对其某些关键零部件的轻量化设计。

某型爬行机构整体如图所示：

这里对某型爬行机构的一条腿进行拓扑优化（其余类似即可），每条腿由以下3个零部件构成：

优化过程

首先在Inspire中将所使用的材料（未来工厂8000树脂）各属性添加到“我的材料”中，便于后续使用。

接着在solidworks中建立并处理爬行机构的腿部模型，考虑到螺栓连接处需留作装配空间，优化时设为非设计区域，所以先将腿部各零部件分为非设计区域和设计区域不同的子零件，然后按相应的位置组成装配体。

将腿部受载荷最大时的临界姿态对应的装配体模型文件导入Inspire中，并添加之前自定义的未来8000材料属性，定义好我们想拓扑轻量化的地方作为设计区域（图中灰褐色区域）。

接下来定义对应的连接接触，两处接地螺栓（假定爬行机构机体固定）和两处铰接，施加通过相关参数计算施加于腿部的临界载荷（无刷电机通过齿轮组传递出的扭矩，和地面对小车质量施加的支承力）。

为了对拓扑优化后的零部件形状进行一定的控制，对腿部的三个零部件施加沿对称面的形状约束。

至此设定好参数后，开始进行后面的分析和优化。

先初步分析在此临界载荷作用下，爬行机构腿部零件所受的最大位移和应力值。

接着进行腿部零部件的拓扑优化，运行优化设置如下图，保证最大化刚度条件下的拓扑优化，预期质量目标保留50%，厚度约束默认。

优化结果如下图所示，通过按钮调节使得腿部零部件各材料保持连接。（也可设置最小尺寸，便于后续的3D打印制备）。

结果展示

最后基于拓扑优化结果重新建模再设计，再相应进行有限元分析（为了取得较好的效果，建议多重复几次），下图所示为此次初步验证性设计的腿部零部件模型图（保守设计，多是为了测试零部件刚度强度等是否符合预期使用要求）。

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