基于Optistruct的SCARA机械臂的拓补优化及设计

几年前写的一个东西，正好碰见最近有人问这个，就放上来

4轴SCARA机器人的结构，觉得第二个连杆可以进行一个优化分析进行轻量化，于是创建了一个简化的模型进行了拓补优化分析，并完成最终三维设计。如下：

一、建模

按照某外资品牌的样本（网上可以自由下载），获得其杆长及其他基本尺寸，依  

据此数据进行三维建模：

 注意：1考虑到机器人外观及功能，上面创建的三维在优化分析中是不能去除材料的，也就是说上面的三维是非设计区域

2. 为什么壁厚是3mm？这个要从工艺的角度来考虑，一般机械臂都为铸造，而铸造常用的工艺用沙铸、重力、高压等。3mm壁厚只能是压铸，如果是沙铸或是重力，壁厚很难做到3mm。

二、 将三维导入hypermesh并划分网格

紫色部分就是上面创建的三维，橙色部分是在hm中生成的，网格尺寸为3mm，3mm其实偏大，不过减小单元尺寸的话，计算量会增加很多，实际设计中，肯定要减小这个单元尺寸

三、 定义材料及属性

n  材料采用铸铝A356（国内牌号ZL101A），E=70000，Nu=0.33

n  定义属性，这里就要注意了，要定义两个属性，其中一个属性赋予非设计区域，一个属性赋予设计区域，虽然这两个属性完全一样，没有任何区别 

四、 创建工况

1.     边界条件：固定1轴减速机安装面

2.     依据机器人的实际工作情况，创建两种工况：（1）1轴旋转，命名为L1 （2）3轴上下运动，命名为L2

力的大小依据机器人3/4轴的重量及1轴大致的旋转速度而定

最终模型如下图所示：

五、优化分析

首先回忆下优化的三要素：设计变量、约束、目标

1.     定义设计变量

创建好设计变量后，还需要对设计变量进行一定的设置，不然就算优化出来，结果也是没用的

定义最小成员尺寸，也就是说最终优化的结果最少包含一个单元（本例中）

必须定义一个拔模方向，如果不定义，那么就算最终优化出来结果，如果拔不了模，其结果也是无效的

使用两点定义一个对称平面，即最终的优化结果是关于定义的平面对称

这个平面经过第一个点，并且平面的法向量为两点定义的向量

到此，设计变量定义完毕

2.     定义响应

定义两个响应：（1）体积分数

（2）挠度（也可以称之为柔度，与刚度对应）

这里我选择的是权重挠度，什么意思呢？也就是说，我上面创建了两个工况L1和L2，在机器人实际工作中，旋转工况比上下运动的工况更频繁，那么就可以对这两个工况进行一个权重的设置，比如说L1的权重是2，L1的权重是1，那么后续优化分析中，算法会依据权重改变优化结果

3.     定义约束

将上面定义的响应中的体积分数，设置一个上限为0.2的约束，即橙色部分最终优化后，体积减少80%以上

4.     定义目标函数

将上面定义的响应中的挠度最小化，也就是柔度最小化，即刚度最大化

到此，定义完毕，提交计算，经过33次迭代，计算完毕

提示FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED)，说明优化是成功的

六、 后处理

隔离出单元密度正常的单元

最终优化结果如上图所示