温热理疗床身模态分析及其结构优化

　　0　引言

　　传统的产品设计流程是一个人工反复进行设计的过程。随着结构优化技术的发展成熟并成功应用于产品的设计,它正以无可比拟的优势改变着传统设计流程。在概念设计阶段,优化设计可以把产品所需性能全部考虑进来,在给定设计空间下找到最佳的产品设计思路;在虚拟试验阶段发现问题后,优化技术可以直接给出产品改进方案,从而帮助设计师设计出创新而可靠的产品。这种全新的产品设计过程,就是优化驱动设计过程(optimizationdriven design process, ODDP)。

　　美国Altair工程软件有限公司的HyperWorks作为实现ODDP的先行者,为用户提供了先进的前后处理工具及丰富的求解器技术。运用其中的HyperMesh对理疗床身构建有限元模型进行模态分析,以此为基础运用OptiSt-ruct对理疗床身进行拓扑优化,拓扑出来的形状能够对理疗床身的结构改进提供指导。

　　1　几何模型的建立

　　1.1　CAD模型的建立与导入

　　三维设计软件SolidWorks的建模技术采用基于特征的参数化实体建模,具有强大的实体建模功能与直观的用户界面,设计与绘图是在同一界面下同时进行SolidWorks的特征造型采用拉伸、回转、扫描、放样4种基本形体的生成方法,同时提供了倒角、抽壳、阵列、镜像等功能。利用SolidWorks实现从三维实体造型到零件的虚拟装配、运动仿真以及结构设计等机械设计的各个环节,可以极大提高设计品质及设计效率。并且利用插件形式提供免费的数据接口,可以很方便地与其他三维CAD软件或CAE软件进行数据交换。因此,在SolidWorks中建立了理疗床身的CAD模型,然后以Pro/E类型导入HyperMesh中。

　　1.2　几何清理

　　CAD模型导入后,在进行网格划分之前需先进行必要的几何清理工作。几何清理是划分网格的根本,几何清理的好坏可以说直接影响着网格的品质。如果几何清理不当就可能使生成的网格品质不高,甚至无法生成体网格;并且几何清理可大大降低工程人员的工作量,对于一些小特征的适当抑制,在提高网格品质的同时,大大减少了工作量;同时还可以提高网格的美观度。几何清理在HyperMesh中主要有以下几方面内容:

　　a)拓扑修复。导入曲面数据时存在缝隙、重叠、错位等缺陷,这会影响网格的品质,严重时会导致有限元模型无法求解或结果失真。HyperMesh会试图在导入模型时适当的清理表面,其目的是恢复表面的数据信息,以更好的表述零件。

　　b)创建中面。由于理疗床身主要由薄壁零件焊接而成,选用壳单元来进行有限元分析比较合适。即零件厚度用数值表示,而不用几何表示,对零件的中面进行网格单元划分。而HyperMesh提供了非常方便的抽取中面功能,可以便捷得从实体或两个端面中间创建一层曲面,便于在上面直接划分网格。这种方法可用于产生代表几何实体的有限元壳单元,也可用于金属薄板冲压件、带加强筋的塑料零件以及其他厚度明显小于宽度和长度的零件。