首页/文章/ 详情

开孔零件的拓扑研究

1年前浏览1402

当你看到一个零件,是否想知道这个设计是否设计合理呢?

如果你在一个对零件性能和质量都非常重要的行业,你可能会让你的设计在保证性能的前提下质量最轻。

可以使用SolidWorks Simulation中的拓扑优化研究,通过设定减轻重量的目标,并达到一定的安全系数,对现有部件进行优化。

例如:我们从2015年第一次机器人竞赛(FRC)的机器人身上取下一个机器人手臂,并将摆动臂的重量优化到机器人需要能够安全提升的负载。

每个机器人的最大重量限制为120磅,因此必须按照规则小心减掉机器人重量中每一磅非必要材料。由于这种限制,团队通常会将每一个可以想象到的开孔都用在零部件上,以最大限度地提高机器的性能。

比如说148队的机器人底盘!

因此,在极端的工况要求下,哪里可以安全地移除重量而不完全损害操作中的部件?在哪里可以去除重量,使零件在操作中几乎不受影响?

为了简化这个问题,我们可以将下图中的2×1管子制成的机器人手臂,在SolidWorks中开始进行简单的静态应力分析。

最终装配前,在两个臂上安装滚轮爪。

滚轮爪和游戏块重约15磅,但由于其他一些负载条件,我们假设每只手臂(每侧各有一只)需要抵抗约20磅才能确保安全。我们将此梁的另一端视为通过固定铰链夹具安装,以模拟由螺栓和链轮安装固定到位,如上图所示。

在进行任何开孔减重之前,对臂进行快速静态应力分析,结果表明,管臂重量为2.4磅,由于施加的载荷,我们预计应力约为9187磅/平方英寸。对于我们的铝材料(屈服强度40000磅/平方英寸左右),这意味着我们从安全系数4.34开始——过度设计!

无开孔的手臂静应力

如果一个机器人需要减重,大多数团队通常会用j可靠的圆孔来做减重孔。在某一点上,机器人需要减少15磅的重量,所以在我们开始优化机器人之前,我们会使用SolidWorks进行模型设计。

如果我们去掉太多的重量,我们会损害设计吗?这是这次挑战中最大的恐惧因素。我们需要确定我们做出了正确的选择,因此我们进行了另一个模拟,并确定如果我们在关节附近放置了一些减重孔,很明显手臂会失效。

加减重孔后臂部的静应力

最后,我们在Solidworks中使用这种圆孔减重,结果是我们可以将部件的质量减少一个相当大的量,并将双臂的重量减少到大约3.1磅。最后,我们在这两个部件上节省了将近40%的重量,但是在再次运行安全系数检查之后,我们发现我们几乎没有对部件的性能造成任何影响。安全系数为4.2——仍然是大量的过设计。我们将孔开的比较密,换成更轻的板材,使用更薄的壁厚,然后继续用这个机器人赢得锦标赛。它的重量为119.8磅,没有超出允许的120磅。当时是没有用拓扑优化。

我记得在2015年的模拟中,我的学生们手动优化了这一特定部分,我记得在钻床上切第一个孔时他们眼中的恐惧。

我们究竟能制造出多轻的零件,即使到今天,仍在商店里的一些机器人上使用?

质量降低50%,一次通过拓扑优化

当SOLIDWORKS有了拓扑优化分析后,我对这个机器人部件进行了第一次拓扑优化,目标是将部件重量减少50%。我可以告诉SolidWorks在链轮底座周围的哪里留下足够的材料,也可以告诉SolidWorks在手腕上爪的位置留下足够的材料,这样研究就可以在这个区域周围留下一个材料区域。这50%的降幅让我得到了一个安全系数为3.2的设计。

接受挑战,让我们试试75%的质量减少!

通过75%的质量减少,我得到了安全系数为2.1的设计,几何结构非常轻薄。经过这一过程结束后,我相信这个形状的结构是接近承受负载所需的最小形状。

许多设计师使用三角形作为他们的开孔形状,但这样一个结构三角形的位置是最重要的。如果我们是3D打印,零件是按照我们看到的方式打印形状,但不幸的是,拓扑优化后的形状实际上不是您真正要制造的形状,那么我们现在如何处理这些数据?

将其导出广顺网格体,会给我们一个可以修改的设计文件。

一旦我们将网格体引入SolidWorks,我们就可以使用一些技巧来到达一个已完成的设计部分,而这正是使用SolidWorks的优势所在。

首先,由于网格的存在,我们不能对它做太多的工作,而且我们不能向网格模型本身添加设计智能。但我们可以在它上面建模和跟踪,并将它用作开孔需要去除材料的地方的模板。在这里,我们可以创造性地设计不同的开孔样式,添加圆角和额外的几何图形,以测试最终对安全系数的影响。

将网格用作背景,并最终确定开孔的位置。

只需跟踪开孔位置,这是跟踪模型减少75%的结果。这个模型重0.7磅,安全系数仍然是2.7!

但是等等,这些开孔又尖又薄,不统一,也不好看。从拓扑研究中学习,我们可以为模型添加更好的约束,使其成为您希望制造和使用的部件。

最后,我们学习并应用了一些侧向荷载和扭转荷载,得出了基于拓扑结果的最轻设计。一个重达0.9磅的臂可以承受所有3种类型的负载,有一个吸引人的设计,而且由于SolidWorks拓扑研究,很容易加工!

最后一部分:9磅,总重量减少63%,在所有3种情况下都能承受载荷!

当以这种方式使用时,拓扑研究是一个非常强大的工具,我希望这能激励更多的用户获取SolidWorks模拟,并了解他们的部件是如何工作的。让我大开眼界,了解为什么大多数开孔都是三角形的!

(作者:Robbie Hoyler•TPM)

来源:三维机械设计工程师
拓扑优化SolidWorks化机材料机器人游戏
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-09-16
最近编辑:1年前
SOLIDWORKS艾金米
SOLIDWORKS增值服务商
获赞 194粉丝 113文章 837课程 2
点赞
收藏
未登录
还没有评论

课程
培训
服务
行家

VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈