李 陽 高常青 楊 波 徐征和 張治暉

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.濟(jì)南大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；3.北京中水科工程總公司，北京 100000）

SolidThinking Inspire是一款為機(jī)械設(shè)計(jì)師打造的計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)/造型軟件。該軟件應(yīng)用了Altair Optistruct求解器，利用了拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，使得通過該軟件的優(yōu)化最終可以獲得最省材料的結(jié)構(gòu)。Inspire軟件擁有良好的拓?fù)鋬?yōu)化功能和優(yōu)化效果，界面簡(jiǎn)潔，易學(xué)易用，可以讓人們從結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)逐步轉(zhuǎn)向簡(jiǎn)單可靠的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，拓?fù)鋬?yōu)化屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)子類別。拓?fù)鋬?yōu)化是以材料分布作為優(yōu)化對(duì)象，通過該優(yōu)化方法，人們可以在均勻分布材料的設(shè)計(jì)空間中找到最合理的材料分布方案。

由此可見，拓?fù)鋬?yōu)化相比其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化類別，具有更多的設(shè)計(jì)自由度，拓?fù)鋬?yōu)化可以獲得更大的設(shè)計(jì)空間，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最具發(fā)展前景的一個(gè)方向。

2 拓?fù)鋬?yōu)化的商用軟件

目前，在連續(xù)體上拓?fù)鋬?yōu)化的研究已經(jīng)比較成熟。在拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)化方法中，變密度法目前已被應(yīng)用到商用優(yōu)化軟件中。在這些拓?fù)鋬?yōu)化的商用軟件中，最著名的軟件是美國(guó)Altair公司Hyperworks系列軟件中的Optistruct軟件和德國(guó)Fe-design公司的Tosca軟件。前者能夠采用Hypermesh作為該軟件的前處理器，Optistruct軟件在各大行業(yè)中都有著比較廣泛的應(yīng)用；后者Tosca優(yōu)化軟件最初只是集中于優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，支持全部的主流求解器，操作起來十分便捷。其間，人們可以利用熟悉的CAE軟件來執(zhí)行前處理加載，之后利用Tosca軟件來進(jìn)行優(yōu)化，十分便捷。近年來，德國(guó)Fe-design公司通過和Ansa聯(lián)盟，開發(fā)了基于Ansa的前處理器和Tosca Gui界面，以及ansys workbench軟件中的ACT插件，它可以直接在workbench軟件中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化仿真。此外，由于Ansys軟件中的命令比較豐富，國(guó)內(nèi)有不少人采用Ansys自編拓?fù)鋬?yōu)化程序。

但是，SolidThinking Inspire軟件界面更為簡(jiǎn)潔，其算法與市面上的拓?fù)鋬?yōu)化算法相比也毫不遜色，初學(xué)者極易上手，并且該軟件能結(jié)合工藝性，優(yōu)化出結(jié)構(gòu)更為合理且具有良好工藝性的結(jié)構(gòu)。所以，本文選擇SolidThinking Inspire作為拓?fù)鋬?yōu)化的軟件。

3 水平鉆機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)背景

現(xiàn)有水平鉆機(jī)的主流機(jī)架配套的是只具有旋轉(zhuǎn)功能的液壓水平鉆機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展，為了提高水平鉆機(jī)鉆進(jìn)效率，人們?cè)阢@機(jī)的旋轉(zhuǎn)功能之上增加了沖擊功能。在此情況下，水平鉆機(jī)機(jī)架所受到的力除了鉆機(jī)的行程油缸給的推力之外，還受到活塞給其的反作用力。故通過比較容易得知，水平鉆機(jī)機(jī)架比之過去所受到的力更大，所以水平鉆機(jī)機(jī)架剛度要求也變得更加嚴(yán)格[2]。人們必須增大其剛度，在合理的情況下，要減小用于增加剛度機(jī)構(gòu)的質(zhì)量以便降低成本，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。因此，在工程設(shè)計(jì)初期，人們有必要對(duì)其進(jìn)行高剛度、低質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)采用SolidThinking Inspire軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后采用CAD軟件進(jìn)行重新建模，最后采用CAE軟件進(jìn)行計(jì)算分析[3]。

4 水平鉆機(jī)機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)空間定義

設(shè)計(jì)空間指需要優(yōu)化的初始結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，人們不會(huì)改變非設(shè)計(jì)空間的結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)刪減掉設(shè)計(jì)空間中材料的冗余部分，使得設(shè)計(jì)空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)以最小的質(zhì)量獲得所需要的最好力學(xué)性能。通過拓?fù)鋬?yōu)化會(huì)充分挖掘設(shè)計(jì)空間內(nèi)的優(yōu)化潛力，在保證約束和載荷能夠有效地傳遞到結(jié)構(gòu)上的同時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)的工藝性等要求[4]。

根據(jù)該水平鉆機(jī)機(jī)架與水平鉆機(jī)的安裝要求，以及其工作放置環(huán)境，為了滿足機(jī)架后部弧形內(nèi)壁一側(cè)固定行程油缸的工藝性需求，滿足水平鉆機(jī)前進(jìn)的空間特征需求，本文創(chuàng)建了如圖1所示的初始鉆機(jī)機(jī)架和設(shè)計(jì)空間。

圖1中紅色部分為設(shè)計(jì)空間，灰色為非設(shè)計(jì)空間。圖中機(jī)架外部?jī)蓚?cè)是用來安裝前支撐油缸的“掛耳”從而實(shí)現(xiàn)支撐功能。整個(gè)灰色機(jī)架是最初設(shè)計(jì)時(shí)的“毛坯件”。設(shè)計(jì)空間與后端的弧形內(nèi)壁留出一段空間，從而滿足行程

圖1 初始鉆機(jī)機(jī)架和設(shè)計(jì)空間

4.2 約束與載荷

水平鉆機(jī)機(jī)架需要通過后端弧形壁和前端兩側(cè)掛耳連接液壓缸，通過豎直向上的摩擦力支撐在井壁上，其載荷計(jì)算系數(shù)如表1所示。

表1 載荷計(jì)算系數(shù)表

故液壓缸壓力F可由式（1）計(jì)算得出：

式中，g為重力加速度，取9.8N/kg。

由式（1）計(jì)算可得，單側(cè)液壓缸的壓力約為32kN，其施加載荷的方式如圖2所示。

4.3 形狀控制

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后，機(jī)架可以滿足工況需求，但是拓?fù)鋬?yōu)化會(huì)明顯增加機(jī)架的工藝難度，使得工藝難以完成。這樣做出的零件也是沒有意義的。SolidThinking Inspire軟件增加了模塊控制功能，通過模擬現(xiàn)實(shí)的工藝，使拓?fù)鋬?yōu)化與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系起來[5]。而目前的設(shè)計(jì)空間明顯是基于該設(shè)計(jì)空間自身的三個(gè)中心水平面對(duì)稱的。故需要添加水平對(duì)稱空間的三個(gè)對(duì)稱面，如圖3所示。油缸安裝和拆卸的工藝性要求。

圖2 約束與載荷加載

圖3 形狀控制

4.4 優(yōu)化及模型重建

在SolidThinking Inspire軟件的“優(yōu)化”模塊中設(shè)置優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化目標(biāo)質(zhì)量設(shè)為30%。這里優(yōu)化目標(biāo)質(zhì)量是指優(yōu)化后的質(zhì)量占之前未優(yōu)化的百分比。最小成型尺寸選為5mm，材料選用系統(tǒng)默認(rèn)材料。因?yàn)樗璺治龅牟牧隙际蔷鶆蚍植嫉?，質(zhì)量目標(biāo)必須提前確定，所以該拓?fù)鋬?yōu)化便與材料的屬性無關(guān)。力學(xué)性能是否合適可通過最后的有限元仿真分析環(huán)節(jié)來確定[6]。通過運(yùn)行該優(yōu)化，人們可以得出更加優(yōu)化的材料分布情況，如圖4所示，之后便可以根據(jù)如圖4所示的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)不再依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)。雖然人們還是會(huì)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，但拓?fù)鋬?yōu)化分析的結(jié)果可以使設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)更加具有理論依據(jù)。

通過該軟件導(dǎo)出stl模型作為三位模型重建的參考，如圖5所示。通過將stl格式的模型導(dǎo)入CAD軟件中進(jìn)行模型重建，人們可以得到根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重建的幾何模型，如圖6所示。

圖5 stl格式的優(yōu)化結(jié)果

圖4 優(yōu)化結(jié)果

圖6 模型重建結(jié)果

5 結(jié)果論證

在機(jī)構(gòu)重新建模再設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，人們可以設(shè)計(jì)出零件的模型，但是不知道該零件的力學(xué)性能是否良好，故還需要通過有限元分析軟件對(duì)重新建模出來的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析，以確保該結(jié)構(gòu)具有必要的承載能力，一般要求結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的靜應(yīng)力不大于材料的許用應(yīng)力和屈服應(yīng)力，使得結(jié)構(gòu)的變形處于彈性范圍內(nèi)[7]。這里選取的是ANSYS Workbench有限元分析軟件。

該水平鉆機(jī)機(jī)架材為Q235A，具體參數(shù)如表1所示。應(yīng)力加載按照表1所示工況加載，最終可得云圖如圖7～圖10所示。

表2 材料參數(shù)

圖7 應(yīng)變?cè)茍D

由圖7應(yīng)變?cè)茍D可以看出，其應(yīng)變普遍比較小，都在鉆機(jī)機(jī)架的可承受范圍之內(nèi)。

圖8 安全系數(shù)云圖

由圖8安全系數(shù)云圖可以看出，其整個(gè)機(jī)架都在最大安全系數(shù)值上，整個(gè)機(jī)架是安全可靠的。

圖9 應(yīng)力云圖

由圖9應(yīng)力云圖可以看出，機(jī)架所受的應(yīng)力都在其可承受范圍之內(nèi)，沒有超過屈服極限。

圖10 位移云圖

由圖10位移云圖可以看出，整個(gè)機(jī)架的位移量在可接受范圍之內(nèi)。

由該組云圖結(jié)果可以看出，優(yōu)化之后的水平鉆機(jī)支架的強(qiáng)度、剛度等特性均符合要求，安全可靠，不會(huì)產(chǎn)生過大的位移量，通過拓?fù)鋬?yōu)化分析使其布局良好。

6 結(jié)論

通過SolidThinking Inspire軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，人們可以有效地實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)在滿足工藝性的基礎(chǔ)上更加有據(jù)可依、有理可依。在該優(yōu)化中通過設(shè)置優(yōu)化模型的參數(shù)和約束，可以實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化與工藝性的統(tǒng)一[8-9]。SolidThinking Inspire軟件將Altair公司將Optistruct求解器進(jìn)行隱式化處理，操作界面更加簡(jiǎn)潔，使得初學(xué)者更容易上手，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的一個(gè)得力助手。

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