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醫(yī)療激光新聞

面向3D打印先進(jìn)設(shè)計(jì)在振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

星之球科技 來源:中國(guó)3D打印網(wǎng)2019-04-24 我要評(píng)論(0 )   

3D打印-增材制造是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),其優(yōu)勢(shì)顯而易見,它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無法制造的設(shè)計(jì),比如復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)

3D打印-增材制造是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),其優(yōu)勢(shì)顯而易見,它可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無法制造的設(shè)計(jì),比如復(fù)雜輕量化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多零件融合一體化制造等。3D打印-增材制造不僅是工藝的革命,它還帶來了設(shè)計(jì)的革命,帶來了全新的設(shè)計(jì)可行性,使得改變?cè)O(shè)計(jì)理念成為必然。我們?cè)诿嫦蛟霾闹圃斓脑O(shè)計(jì)中,需要重新審視原有設(shè)計(jì),充分發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢(shì)。



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圖:增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

基于3D打印-增材制造思維的設(shè)計(jì)是一場(chǎng)設(shè)計(jì)的革命,它完全打開了設(shè)計(jì)枷鎖,進(jìn)行面向增材制造、由產(chǎn)品性能驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)流程中,正向設(shè)計(jì)是核心思想,仿真優(yōu)化是核心技術(shù),其基本流程為:

基于產(chǎn)品性能要求定義設(shè)計(jì)空間、設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)目標(biāo);

通過拓?fù)湫蚊矁?yōu)化技術(shù)確定產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)外形,其核心技術(shù)是拓?fù)鋬?yōu)化;

確定產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)外形后,結(jié)合參數(shù)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和定型,其核心技術(shù)是參數(shù)優(yōu)化;

對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行性能驗(yàn)證,其核心技術(shù)是仿真分析;

本文簡(jiǎn)要闡述了面向增材制造的先進(jìn)設(shè)計(jì)的理念和實(shí)現(xiàn)手段,并將其應(yīng)用于某型號(hào)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示由先進(jìn)設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)的振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架的最終優(yōu)化設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能全面優(yōu)于原設(shè)計(jì)。

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某型號(hào)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)概述
電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬產(chǎn)品在制造、組裝運(yùn)輸以及使用執(zhí)行階段所遭遇的各種環(huán)境,用以鑒定產(chǎn)品是否具有忍受環(huán)境振動(dòng)的能力,被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空、航天、通訊、電子、汽車以及家電等行業(yè)。動(dòng)圈骨架是電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的關(guān)鍵部件,其動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)劣將直接影響到振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的一階豎向共振頻率的高低,從而影響到振動(dòng)臺(tái)工作頻率的上限和非線性失真大小,因此一階豎向共振頻率是設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)關(guān)鍵。某型號(hào)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈原設(shè)計(jì)如圖1所示。其各個(gè)部分的力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

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圖1 某型號(hào)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)

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表1 動(dòng)圈結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)是在保證骨架質(zhì)量不增加的前提下,其豎向一階共振頻率盡量提升,其余性能指標(biāo)(強(qiáng)度、Q值、橫向振動(dòng)、臺(tái)面振動(dòng)均勻度等)與原設(shè)計(jì)相當(dāng)或優(yōu)于原設(shè)計(jì)。

振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略概述
振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化策略是在保持動(dòng)圈各個(gè)結(jié)構(gòu)材料不變的情況下,通過優(yōu)化動(dòng)圈骨架原始結(jié)構(gòu),達(dá)到在質(zhì)量相對(duì)于原設(shè)計(jì)不增加的情況下,其豎向一階共振頻率盡可能提升,其它各項(xiàng)性能,包括骨架強(qiáng)度、Q值、動(dòng)圈的橫向振動(dòng)以及振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面振動(dòng)均勻度等均較原設(shè)計(jì)的相應(yīng)性能有所提升。此優(yōu)化策略的實(shí)現(xiàn)手段是:首先在ANSYS Workbench里對(duì)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)的原設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元分析,以獲得原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),并以此分析為基礎(chǔ),利用拓?fù)鋬?yōu)化軟件GENESIS對(duì)動(dòng)圈骨架原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)湫蚊矁?yōu)化,以獲得具有最佳材料分布和最佳傳力路徑的動(dòng)圈骨架結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì);然后基于拓?fù)鋬?yōu)化的材料分布確定參數(shù)化建模方案并利用參數(shù)優(yōu)化軟件optiSLang 對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,完成最終的詳細(xì)設(shè)計(jì);最后,對(duì)最終的詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析,提取相應(yīng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值,并與原設(shè)計(jì)的相應(yīng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較,最終確定優(yōu)化設(shè)計(jì)是否滿足要求。


振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架拓?fù)湫蚊矁?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化基于已知的設(shè)計(jì)空間和工況條件以及設(shè)計(jì)約束,確定剛度最大、質(zhì)量最小的設(shè)計(jì)方案。它通過計(jì)算材料內(nèi)最佳的傳力路徑,最終獲得具有最佳材料分布的優(yōu)化結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化革新了傳統(tǒng)的功能驅(qū)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式,實(shí)現(xiàn)了性能驅(qū)動(dòng)的生成式設(shè)計(jì),成為真正的正向設(shè)計(jì)模式。


就振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架結(jié)構(gòu)而言,通過初步分析可以得出:豎向剛度的增加可以導(dǎo)致豎向共振頻率的增加。基于此認(rèn)識(shí),利用GENESIS對(duì)骨架進(jìn)行拓?fù)湫蚊矁?yōu)化,目的是探索動(dòng)圈骨架的合理材料分布,為結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)性概念設(shè)計(jì)方案。拓?fù)湫蚊矁?yōu)化的目標(biāo)是動(dòng)圈骨架結(jié)構(gòu)的豎向剛度最大,質(zhì)量最小,約束是變形不大于原設(shè)計(jì)在相同載荷條件下的變形。其優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

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圖2 拓?fù)湫蚊矁?yōu)化結(jié)果

拓?fù)湫蚊矁?yōu)化結(jié)果可以給出后續(xù)的改進(jìn)方向。從拓?fù)湫蚊矁?yōu)化的結(jié)果可以看出:骨架的腹板中央和面板和外圍環(huán)板區(qū)域應(yīng)該減??;腹板外側(cè)和骨架底部環(huán)板區(qū)域應(yīng)該加厚。具體減薄、加厚的范圍以及板材尺寸則需要通過參數(shù)優(yōu)化獲得。


振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架參數(shù)優(yōu)化
拓?fù)鋬?yōu)化只是給出結(jié)構(gòu)的最佳材料分布,但是結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)所需要的信息則需要通過參數(shù)優(yōu)化獲得,從而完成設(shè)計(jì)定型。

參數(shù)優(yōu)化的一般流程包括以下步驟:

參數(shù)化建模:包括參數(shù)化CAD模型(如尺寸參數(shù))以及參數(shù)化有限元模型(如載荷工況條件參數(shù)化);

參數(shù)敏感性分析:識(shí)別重要性參數(shù),過濾無關(guān)參數(shù),并建立高質(zhì)量響應(yīng)面,為后續(xù)快速優(yōu)化做準(zhǔn)備;

優(yōu)化分析:定義優(yōu)化目標(biāo)、約束條件,設(shè)定優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算;

設(shè)計(jì)驗(yàn)證:對(duì)最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證性分析;

穩(wěn)健性可靠性評(píng)估:若對(duì)可靠性有要求,則進(jìn)行穩(wěn)健性可靠性分析與優(yōu)化。

具體到本動(dòng)圈骨架結(jié)構(gòu),參數(shù)化模型采用1/8周期對(duì)稱模型(這是為了在不影響效果的前提下提升效率)?;谏厦嫱?fù)湫蚊矁?yōu)化的概念設(shè)計(jì),我們的參數(shù)化建模策略及參數(shù)化的參數(shù)如圖3所示。

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圖3 振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模

我們關(guān)心的響應(yīng)變量為振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈骨架的質(zhì)量和豎向一階共振頻率。參數(shù)優(yōu)化中的參數(shù)敏感性分析結(jié)果如圖4所示。

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圖4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果:參數(shù)敏感性分析結(jié)果

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