9.4 衍生式设计与结构拓扑优化在线视频

好各位同学大家好今天我们继续学习

现代设计方法概述这一部分的

关于衍生式设计的应用

今天呢 我们要给大家讲到的

它的应用呢是基于这样的一个软件

这个软件呢是来自于

我们欧特克公司的这样一个软件

它的软件的名称

是FUSION360

那么今天呢 我们通过

FUSION360这样一个软件

我们给大家来演示一下

运用这样一个软件来进行

衍生式设计和结构拓扑优化

两者之间的区别

所以今天呢我们要给大家讲到的内容

主要包括这样的

几部分 一个呢

是关于FUSION360的一个介绍

那另外一个呢 关于结构的拓扑优化

再有一个呢是关于衍生式设计的应用

对于FUSION360这样一个软件来说

如果大家以前

应用过这样一个软件的话

我们大家会知道这个软件是

一个集成的这样一个平台

在这个平台当中 我们可以完成

设计方案的拟定

我们同时可以完成制造方式的选择

那么以及相关的仿真 所以这是一个

集成的 多功能的这样一个平台

那么在这个平台当中呢

我们可以进行衍生式的设计

我们同时呢也可以进行

结构的拓扑优化

那另外呢 这个软件呢

我们可以进行快速的设置

大家可以看一下我们屏幕当中

根据屏幕当中

我们给出的快速设置的方法

我们可以进行相关的这样一个设定

也就是说利用

FUSION360这样一个软件

比如我们要进行轻量化的设计的时候

只要我们设定了

减重的这样一个目标之后

那么剩余的计算的这样一个过程

都是由这个软件在后台

通过云平台来进行相关计算

那第二部分的内容呢

我们会给大家来看一个案例

关于结构拓扑优化的案例

对于结构拓扑优化的案例来说

今天我们选择的这个零件呢

是一个相对比较简单的零件

大家可以看到

这个零件是机器人的夹持臂

我们要求呢 是对机器人的夹持臂

来进行轻量化的设计

那首先呢

我们先来了解一下这样的一个零件

这个夹持臂呢 它是一个钢制的零件

它用于机器人来抓取物体

所以它主要呢是承受抓取面上的压力

那么 所以我们现在可以看到

在这个图上 在它的夹持面上它是有

压力要求的

所以在满足这样一个性能的要求下呢

符合设计规范的基础上

我们对这样一个零件

来进行结构形状的优化

以达到减轻重量的这个目的

在前面的课程当中呢

我们给大家提到过

结构拓扑优化的这样一种方法

如果有同学对于结构拓扑优化的内容

有些遗忘的话

我们可以回去看一下相关的知识点

好 那接下来呢 我们来看一下

它的优化的目标是材料减少40%

它的限制条件是材料必须是钢

然后另外一个呢

最小的安全系数必须是

2.0

现在的设计方案里面 我们的材料呢

用的是钢

它的重量呢是0.136公斤

这是我们可以看到

对机器人夹持臂轻量化设计来说

它的一个基本的需求

好 接下来呢 我们来看一下

利用FUSION360这样一个软件

我们来进行结构形状优化的时候

它的基本的流程是什么样

它的基本的流程呢

我们可以看到的是 包括这样的十歩

这十步呢我们可以看到

第一步是要创建形状优化的分析

第二步呢 是要定义结构的约束

第三步是定义结构的载荷

第四步是定义保留区域

第五步是设置对称平面

第六步是设置优化标准

第七步是网格的设置

第八步是预检查与求解

第九步是查看优化结果第10步导出

模型 那么从这里面我们可以看到

它的分析的流程呢

如果有同学使用过

相关的有限原软件的话

我们会看到有相似的地方

但是在这里面呢 我们可以看到

FUSION360和@这样一个软件呢

也有不同的地方

这里的不同主要体现在

这样的几个方面

第一个 我们看到 在这里面呢

它包括了一个定义保留区域

这里的定义保留区域指的是什么呢

对于我们的零件来说 它会存在着

和其他零件之间进行连接的部位

比如说 我们通过螺栓进行连接

或说我们通过@进行连接

那么这些连接的部位

在我们进行结构形状优化的时候

这些部位我们是不能进行形状优化的

因为呢 它要涉及到

和其他零件的连接

所以这些位置我们必须保留

无论我们对这样一个零件进行什

么样的

轻量化的这样一个设计目标

我们都需要保证它的连接部位

是不能进行形状优化的

所以在FUSION360里面

我们可以看到 它的第四步

是定义保留区域

这一点呢是非常非常重要的一点

那另外一个呢 我们可以看到

第六步是设置优化标准

也就是说我们要进行结构形状的优化

那么对这个设计任务来说呢

我们要减重40%

40%的这样一个优化目标

我们就可以在第六步当中

来进行相关的设置

另外一个 在这里面我们可以看到

第八步是它的预检查与求解

在FUSION360当中

我们经过了第一到第七步之后

在第八步 它会对上述约束

载荷保留区域等等相关的设置

进行相关的预检查以确保我们

最终的求解算法能够正常的执行

好 那接下来呢 我们来看一下

它的详细的这样一过程

首先我们可以看到

它要进行相关的数据准备

这里的数据准备呢

实际上相对是比较简单的

我们可以看到 首先呢

我们需要打开这个软件当中的

Simulation Samples

然后呢 我们按照屏幕当中

给我们指定的这样一个菜单的

操作的这样一个顺序

我们打开

对应的这样一个文件就可以了

然后呢 我们接下来就可以进行

结构拓扑优化的

这样一个设计的练习

它的第一步呢 我们看到

是要创建形状优化的分析

这里创建形状优化的分析

我们可以看到

首先呢 我们要把

设计模块切换到仿真模块

那第二步呢 我们要选择形状优化

来创建一个形状优化的分析

第三步呢是我们要双击单位

那么我们要对

我们现在所建立的这样一个形状

它所采用的单位来进行设置

第二步呢 就是要定义结构约束

那么 这里的结构约束

在我们现在看到的这样一个零件当中

我们是选择两个固定的销孔

它的内表面

来作为约束

我们所添加的约束的类型是

径向和轴向的约束

好 第三步呢是定义结构载荷

这里的结构载荷呢

主要是在它的夹持面上夹持面的载荷

我们添加的是一个法向500N的

这样的一个作用力

第四步定义保留区域

这个保留区域呢我们在这里选定的是

大孔和小孔的内表面 分别

定义它的边界半径为8毫米

和5.5毫米

也就是说 我们设定了

这样一个保留区域之后

这个8毫米和5.5毫米的区域

在我们接下来的形状优化当中

它是不会对这样的两个区域

来进行任何变更的

第五个 我们设置对称平面

对我们现在的这样一个零件来说呢

我们在厚度方向上

是对称的

所以呢 我们选择这样的一个面

来作为它的对称平面

第六步呢 设置优化标准

因为我们的目标质量呢

是要小于等于40%

所以呢 我们在这里呢

进行相关的设置就可以了

同时我们要保证它的刚度要最大化

第七个是网格的设置

网格的设定呢

是我们可以自己来进行定义了

当然 在这个系统当中

它有默认的网格大小

那么如果结合我们实际的零件的尺寸

我们认为这样一个网格的大小

不太合适的话

我们可以自行来进行更改

第八步就是我们刚刚给大家提到过的

预检查与求解所有的检查通过之后

接下来的求解过程

它是提交给云端来进行求解的

那么这样的好处就是

我们把计算的过程提交给云端之后

那我可以利用我本地的计算机

来做其他的工作

第九步呢

我们运算结束之后呢

我们就会弹出相应的结果

我们也可以通过作业的状态

来进行优化结果的查看

最后的一步呢

就是我们要把结果可以导出

导出到我们的模型当中

但是在这里面大家需要注意的是

我们结构形状优化

之后的这样的一个模型

并不能直接来进行加工

那么 因为呢

在这里面我们可以看到呢 它还

存在着一些我们需要修改的地方

所以我们的第11步呢

通常我们会对这样一个模型

来进行修改

比如说我 我们可以利用拟合点的

样条线这样一个命令

沿着网格的这样一个模型

我们来进行边界的创建

同时呢我们对实体模型呢来进行剪切

然后呢再进行零件的这样一个加工

这是我们看到的

利用fusion360我们来做

结构的拓扑优化设计

那另外呢 我们为了去对比

拓扑优化和衍生式设计

这样的两种方法之间的区别

我们来看一下

如果我们采用FUSION360这样的一个软件

我如果要进行衍生式设计

又会是一种什么样的情况

那么这里面我们可以看到

对衍生式的这样一种设计方法来说

我们设定好相关的参数之后

系统会自动的给我们生成

多个可能的解决方案

那接下来呢 我们通过这样一个案例呢

给大家来进行FUSION360

在衍生式设计当中应用的这样一讲解

那么 在这里

我们针对的这样一个零件呢

是发动机的支架

这个发动机的支架呢是飞机喷气

发动机当中的一个关键部件

虽然它的尺寸很小但是我们也都知道

在发动机当中

支架是一个非常重要的一个零件

因为呢

它起到了一个支撑发动机重量的

这样一个作用 因此呢

我们说这个零件是不能发生断裂

也不能发生翘曲的 所以接下来呢

我们要对这样的一个支架

来进行相关的

轻量化的设计

那么我们在这里呢

给大家演示我们如何通过

衍生式的设计方法

利用FUSION360软件

在满足性能要求的基础上

对支架来进行重新设计

以求呢达到重量最小的这样一种情况

好 那接下来呢 我们来看一下

对于衍生式设计来说

它的流程我们可以看到

也是十步 它的第一步呢

是定义保留模型

第二步呢是定义障碍模型

第三步是添加结构约束

第四步是添加载荷

第五步设置目标

第六步 选择制造方式

第七步是选择材料

第八步呢是预检查与提交设计

第九步呢是查看设计结果

第10步是导出优选模型

在这里面我们可以看到

和刚才的拓扑优化相比较的话

同样都是十步

但是这十步的内容有了区别

那么这里面多了一个定义障碍模型

这里的障碍模型和刚才我们提到的

定义保留区域的意思

是类似的

也就说我们存在着连接的部位

这些部位我们是不能让它产生干涉的

所以我们要对这样的一些部位

来进行障碍模型的定义

再有一个

我们可以看到它的第六步里面

出现了一个选择制造方式

也就是说非FUSION360这样一个软件

通过衍生式的设计方法

我们得到的很多设计方案

是突破我们现在的

一些设计的一些想象 但是呢

FUSION360这样一个软件

它能够确保系统所生成的

所有模型都是可加工的

所以在这里面呢 我们需要在

进行方案生成的这样一个过程当中

我们需要选择制造的方式 也就是说

我们是选择传统机加工的方式

我们还是选择

符合制造的方式

还是选择增材制造的方式

不同制造的方式

对我们零件都会有具体的要求

那么也会影响着

我们最终设计方案的生成

好那接下来我们看到数据准备的阶段

和我们刚才看到的

拓扑优化的这样一个数据准备的过程

基本是类似的 但是我们可以看到

我们所运用的这样一个菜单

是不太一样的

那么第一步呢

我们看到它是要定义保留模型

这里的定义保留模型

针对我们这样一个零件来说

我们是选择六个圆台结构

也就是说 我们

采用衍生式的设计方法所生成的模型

无论你设计成什么样的形状

必须要包含与其相同的六个圆台结构

那第二步呢是定义障碍模型

那么第一障碍模型就是明确这个支架

必须要避开这些零件而生成

以免造成干涉

这是我们刚才给大家刚刚提到过的

第三步呢是添加约束

约束大家很好理解

也就是说我们在这个地方通过

结构约束的这个工具

在螺栓固定连接的圆台表面上

我们需要给它添加固定约束

接下来呢 我们要进行

结构载荷的添加

这个结构载荷的添加呢

我们有一个专用的工具

利用这样一个工具

在两个连接角片的内表面上

我们分别进行载荷的添加就可以了

接下来呢我们来进行设计目标的设定

设计目标的设定呢 我们

在衍生式设计方法当中

我们设定的目标是最小化质量

限制条件是安全系数不小于2.0

制造方式的选择我们可以选择无限制

我们也可以选择

指定采用增材制造的方式

另外呢 我们需要选择材料

需要呢 进行预检查与提交设计

那么一般通过了预检查提交设计之后

那么设计方案的生成

也是通过云端来进行计算

最终呢 我们可以去查看设计结果

在计算完成之后呢

我们就可以通过FUSION360

这样一个软件

我们就能够看到衍生式设计

所得到的所有的设计方案

最终呢 我们在这方案当中进行选择

去导出我们的优选模型

好 有关FUSION360这样一个软件

在结构拓扑优化

和衍生式设计当中的应用

就给大家说到这

那么 关于这个软件的

一些相关的学习资源

大家可以看一下屏幕当中的两个链接

好 我们今天的内容就讲到这儿