摩托車連接件的輕量化設(shè)計(jì)與3D打印制造

張敬軒，安芬菊，徐高圣，熊馮瑞，涂桂根，楊泳彬

（廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

0 引言

隨著輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)和3D打印制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已逐步延伸并應(yīng)用在機(jī)械零件、工具、航空航天、建筑等重要領(lǐng)域。輕量化設(shè)計(jì)的主要目的就是在滿足原來(lái)的約束、載荷等前提下，有效合理地減少耗材、減輕自身質(zhì)量，并滿足零件的功能性、安全性及耐用性。Altair inspire軟件對(duì)零件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是采用仿真驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，即在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案流程的初期就進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并有效地幫助設(shè)計(jì)者在滿足零部件功能的同時(shí)降低耗材，提高產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。由于輕量化設(shè)計(jì)的零件多呈網(wǎng)格化或者蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，這種零件結(jié)構(gòu)具有抗壓性強(qiáng)、抗沖擊力強(qiáng)、吸能性能高等特點(diǎn)[2]，同時(shí)具有傳統(tǒng)機(jī)械加工加工工藝繁雜或難以加工的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，以摩托車連接件為例，分別選擇“最大剛度”、“增加至最大頻率”、“最小質(zhì)量”為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)摩托車連接件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，比較分析得到效能較優(yōu)的結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)3D打印制造技術(shù)對(duì)零部件進(jìn)行打印[3]。

1 摩托車連接件的輕量化設(shè)計(jì)

選擇摩托車結(jié)構(gòu)部件中的連接件作為輕量化設(shè)計(jì)的研究對(duì)象，在下文中統(tǒng)一簡(jiǎn)稱摩托車連接件。該摩托車連接件主要用來(lái)連接摩托車的減震器、支架和摩托車部件。摩托車連接件的約束使用慣性釋放。摩托車連接件具體受力的位置和載荷大小情況如圖1所示。其中：位置1為350 N，平行于XZ平面，與Z負(fù)方向夾角為45°；位置2為350 N，平行于XZ平面，與Z負(fù)方向夾角為45°；位 置3 為1350 N，平行于XZ平面，與Z正方向夾角45°，作用點(diǎn)為兩孔連接中心位置。位置4為X負(fù)方向900 N，作用點(diǎn)為兩孔連接中心位置。

圖1 摩托車連接件受力位置和載荷大小圖

摩托車連接件的材料為工程塑料ABS（彈性模量為2000 MPa、泊松比為0.35 、密度為1060 kg/m3、屈服應(yīng)力為45 MPa）。

輕量化設(shè)計(jì)中的拓?fù)鋬?yōu)化是將設(shè)計(jì)空間的材料和形狀進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化的一種方法，即在確定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)的情況下，將材料的分布優(yōu)化到效能最優(yōu)的狀態(tài)。拓?fù)鋬?yōu)化的研究對(duì)象通常有2種，分別是連續(xù)體結(jié)構(gòu)和離散體結(jié)構(gòu)[4]。連續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化的實(shí)質(zhì)就是0～1離散變量的組合。對(duì)于摩托車連接件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使用結(jié)構(gòu)體優(yōu)化的方法。結(jié)構(gòu)體優(yōu)化的方法有多種數(shù)學(xué)建模的方法，其中使用最廣泛的就是變密度法。變密度法不用直接引入真實(shí)材料的微機(jī)構(gòu)和附加均勻化的求解，因此優(yōu)化的效率較高[5]。本次的輕量化設(shè)計(jì)基于Altair Inspire軟件的求解器OptiStruct，它基于變密度法中的SIMP法有效地建立拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型[6]。下面利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)摩托車連接件進(jìn)行不同設(shè)計(jì)目標(biāo)（最大剛度、增加至最大頻率、最小質(zhì)量）的方案設(shè)計(jì)，并分析哪種方案效能最優(yōu)。

1.1 指定設(shè)計(jì)空間

結(jié)合Altair Inspire軟件對(duì)摩托車連接件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)利用變密度法的SIMP的插值模型。第一步將模型導(dǎo)入Altair Inspire，劃分設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間。將受載荷的部分作為非設(shè)計(jì)空間，連接件的形狀結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)空間，作為拓?fù)鋬?yōu)化的主要設(shè)計(jì)部分。在實(shí)際情況下的總體設(shè)計(jì)要求為，最大變形位移小于1.2 mm，安全系數(shù)大于1.2。

1.2 優(yōu)化前的強(qiáng)度分析評(píng)估

確定設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間后，第二步確定連接件的材料，設(shè)置性能參數(shù)并施加載荷受力情況。連接件的載荷工況施加完成之后，由于連接件主要是受外力的作用，所以對(duì)其連接件結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力（即強(qiáng)度）很有研究的意義，以便有效地防止連接件發(fā)生振動(dòng)、顫振或失效。所以第三步對(duì)連接件的強(qiáng)度（包括位移、安全系數(shù)、米塞斯等效應(yīng)力）進(jìn)行分析評(píng)估。連接件初始條件剛度分析如圖2所示。

圖2 連接件初始條件剛度分析

運(yùn)用Altair Inspire軟件的Optistruct分析得到的初始摩托車連接件的強(qiáng)度情況如下，原始摩托車連接件的質(zhì)量為258.5 g。初始條件下最大位移為0.1488 mm。摩托車連接件中呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全程度的最小安全系數(shù)為2.8。最大米塞斯等效應(yīng)力為16.23 MPa。

1.3 不同設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化

1.3.1 目標(biāo)為最大剛度的優(yōu)化

剛度是衡量力學(xué)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，目標(biāo)為最大剛度的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是以結(jié)構(gòu)的外主力做功和支撐反力做功之差為目標(biāo)函數(shù)，將這個(gè)目標(biāo)函數(shù)最小化得到零件的最大剛度設(shè)計(jì)結(jié)果。利用這個(gè)計(jì)算原理，再以質(zhì)量和厚度作為最大剛度設(shè)計(jì)的約束條件，得到最大剛度優(yōu)化的結(jié)構(gòu)后，進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析評(píng)估（如圖3）。

圖3 最大剛度優(yōu)化強(qiáng)度分析

摩托車連接件經(jīng)過(guò)最大剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果如下：質(zhì)量為77.16 g，對(duì)優(yōu)化之前減少181.34 g，有效減重70.15%，材料減重明顯；最大米塞斯等效應(yīng)力下降1.39 MPa；由于減少材料，最大形變位移增加0.3495 mm。最小安全系數(shù)提升0.2，滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到最大剛度優(yōu)化的目的。具體優(yōu)化值在下文表1中列出。

1.3.2 目標(biāo)為增加至最大頻率的優(yōu)化摩托車連接件的動(dòng)態(tài)性能主要是振動(dòng)特性決定，動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)一般是振幅、頻率、相位。影響連接件動(dòng)態(tài)性能的主要因素是激勵(lì)與結(jié)構(gòu)，外部載荷是激勵(lì)，外部載荷主要影響振幅，結(jié)構(gòu)則決定頻率。為了優(yōu)化連接件的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)連接件進(jìn)行增加至最大頻率的優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)構(gòu)結(jié)束后，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估分析（如圖4）。

圖4 增加至最大頻率優(yōu)化剛度分析

摩托車連接件經(jīng)過(guò)增加至最大頻率的優(yōu)化后的結(jié)果如下：質(zhì)量為217.1 g，對(duì)優(yōu)化之前減少41.4 g，有效減重16.02%。材料減輕之后，最大米塞斯等效應(yīng)力下降1.74 MPa；由于減少材料，最大形變位移增加0.0836 mm。最小安全系數(shù)提升0.3，達(dá)到增加至最大頻率優(yōu)化的目的。具體優(yōu)化值在表1中列出。

1.3.3 目標(biāo)為最小質(zhì)量的優(yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)為最小質(zhì)量?jī)?yōu)化，是在一定載荷工況不變的條件下，以厚度為約束條件，對(duì)連接件進(jìn)行最小質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)結(jié)束后，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估分析（如圖5）。

圖5 最小質(zhì)量?jī)?yōu)化強(qiáng)度分析

摩托車連接件經(jīng)過(guò)最小質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果如下：質(zhì)量為99.67 g，對(duì)優(yōu)化之前減少158.83 g，有效減重61.44%。材料減輕之后，最大米塞斯等效應(yīng)力上升15.85 MPa；明顯看出最小質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，在載荷受力的位置有效合理的分布結(jié)構(gòu)，受載荷位置的應(yīng)力都明顯增加，強(qiáng)度更高。但是由于材料減少61.44%，最大形變位移增加0.5196 mm，最小安全系數(shù)下降1.4。滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到最小質(zhì)量?jī)?yōu)化的目的。具體優(yōu)化值在表1中列出。

1.3.4 討論分析

經(jīng)過(guò)對(duì)摩托車連接件在一定載荷工況下，分別進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)即最大剛度設(shè)計(jì)、增加至最大頻率設(shè)計(jì)、最小質(zhì)量設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化，得到拓?fù)鋬?yōu)化不同目標(biāo)設(shè)計(jì)下的強(qiáng)度分析對(duì)比表（如表1）。對(duì)于摩托車連接件的工況和連接件本身結(jié)構(gòu)性能需求來(lái)說(shuō)，最大剛度優(yōu)化質(zhì)量為77.16 g，對(duì)優(yōu)化之前減少181.34 g，有效減重70.15%，材料減輕之后，最大米塞斯等效應(yīng)力有微小下降，同時(shí)最小安全系數(shù)相對(duì)于優(yōu)化前的提升0.2；對(duì)于增加至最大頻率優(yōu)化設(shè)計(jì)，質(zhì)量減重不是很明顯，但是最小安全系數(shù)是3種設(shè)計(jì)目標(biāo)中最大的。最小質(zhì)量設(shè)計(jì)優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)減小自身質(zhì)量61.44%的同時(shí)，最大米塞斯等效應(yīng)力有升高，這是因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的，優(yōu)化后安全系數(shù)為1.4，相對(duì)于初始條件安全系數(shù)下降1.4。最小質(zhì)量?jī)?yōu)化與最大剛度優(yōu)化對(duì)比來(lái)看，很明顯對(duì)于摩托車連接件的載荷工況和自身結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，最大剛度輕量化設(shè)計(jì)效能最高，最終選擇最大剛度優(yōu)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)是較為合理的優(yōu)化方案。

表1 拓?fù)鋬?yōu)化不同目標(biāo)設(shè)計(jì)下的強(qiáng)度分析對(duì)比表

2 摩托車連接件的3D打印制作

本次實(shí)驗(yàn)最終得出目標(biāo)為最大剛度設(shè)計(jì)的摩托車連接件效能最高，以優(yōu)化后的模型為前提，利用UP Studio 3.0為3D打印模型的數(shù)據(jù)分析處理軟件，使用太爾時(shí)代UP300 3DFDM熔融打印機(jī)設(shè)備分別打印優(yōu)化前后的摩托車連接件。在打印前首先將優(yōu)化后的零件使用Altair Inspire 中的polyNURBS 進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，最后將模型導(dǎo)出（如圖6）。

圖6 優(yōu)化后模型

打印之前，首先確定好打印方向，然后選擇合理的3D打印工藝參數(shù)，為了保證打印的摩托車連接件模型在受載荷的部位有更高的強(qiáng)度，可以在主模型中設(shè)計(jì)子模型的辦法保證，即子模型采用100%的填充率，其他部位采用20%的填充率，這樣不僅可以節(jié)約材料，還可以提高內(nèi)部的強(qiáng)度。打印完成并進(jìn)行后處理，得到優(yōu)化后的連接件實(shí)物模型打印結(jié)果如圖7所示。

圖7 3D打印實(shí)物

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)摩托車連接件在同一載荷工況下，利用Altair inspire拓?fù)鋬?yōu)化的方法進(jìn)行3種設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出摩托車連接件不是隨著使用材料越多就越合理。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)目標(biāo)，不僅僅可以提高原來(lái)摩托車連接件效能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)零件時(shí)有效合理的輕量化設(shè)計(jì)，結(jié)合3D打印技術(shù)可以有效地提高零件的效能。