基于拓扑优化的板束焊接生产线创意设计研究

    引言

    机械装备外观设计有别于消费品设计，它具有体积大、工作强度高、使用环境特殊、非标设计、生产批量小等特点，因此，外观造型不受重视，经常按照以往的经验进行设计。但是，出色的机械装备外观设计真正要解决“形态与结构匹配性问题”与“美学问题”之间的协调和平衡。造型设计的首要任务就是形态与结构的匹配，其次，在解决形态与结构匹配的基础上，解决产品美观问题。本文对板束焊接生产线进行创意设计研究，运用solidThinkingInspire 软件寻求满足功能条件下的最佳结构形式，再通过头脑风暴、仿真验证、人机工程设计等，使产品结构紧凑、外形美观、安全耐用、性能优良、易于制造。

    1 拓扑优化概述

    拓扑优化就是根据一定的准则，在满足各种约束条件和使用功能的情况下，在给定设计空间内去除不必要的材料，找出最佳材料分布，使结构在规定范围内达到最优化。通过这项技术的应用，可以使用最少的材料、最简单的工艺实现结构的最佳性能。在保证正常使用功能的前提下，提高产品质量既满足安全可靠、效益显著，又满足降低能源与材料等的消耗，保护环境，这也符合目前建设节约型社会的需要。

    solidThinking Inspire 软件是数字产品开发中的一项具有开拓性的成果，它在一个友好易用的软件环境中提供了仿真驱动设计的工具。它应用于设计的早期，帮助用户生成和探索高效的结构基础。solidThinking Inspire 采用美国 Altair 公司先进的 OptiStruct 优化求解器，根据给定的设计空间、材料属性及受力需求生成理想的形状，根据软件生成的结果进行再设计。

    2 板束焊接生产线优化设计

    板束焊接生产线主要用于制造大型热交换产品的焊装生产线，它主要由9 个龙门架、18 个油缸、工作台、小车等组成。运用solidThinking Inspire 软件对龙门架进行拓扑优化，寻求龙门架最优造型结构。

    2.1 设计空间定义

    所谓设计空间就是优化前的初始结构，在优化过程中不改变非设计空间，通过优化计算，挖掉设计空间中的多余部分，所剩部分构成的形状被认为是结构优化的结果。设计空间一般选取优化对象所占据的最大可能区域，以充分挖掘优化潜力，同时要保证约束及载荷能够有效传递到结构上，以及结构的工艺性。

    板束焊接生产线体积大、工作强度大，对人—机—环境协调性要求很高，龙门架设计必须充分考虑到人机操作尺寸、机器运转尺寸、工作台活动范围等因素，建立基础模型，如图1所示。油缸安装孔、龙门架固定基础，如图中灰色区域；设计空间：其他区域，如图中红色区域。