基于Inspire的支架优化分析

基于Inspire的支架优化分析

一、项目需求与技术方案

1.1 项目需求

支架强度需满足在复杂载荷工况下的使用条件，且使用寿命达50年。该支架的设计对重量有严格的要求且不能超过许用载荷限值，因此在支架前期设计阶段需借助Inspire、Optistruct等先进CAE软件对其进行结构优化，确定其几何结构形状与尺寸，然后再进行强度校核。

1.2 技术方案

该支架设计首先利用Inspire进行拓扑优化分析，为其结构设计提供思路；然后利用Optistruct进行自由形状优化，确定其几何结构形状；最后通过Inspire进行厚度尺寸优化，确定其几何尺寸。

二、有限元建模及计算

2.1  三维CAD模型

支架结构优化仿真分析三维模型如图2.1所示。

                                                              图2.1   支架原始分析模型

2.2 载荷工况

支架需承受轴向力、弯矩以及扭矩等作用，载荷工况类型如图2.2所示。

                                                                图2.2 支架32种受力工况

注：由角标1、2分别表示上下，+方向为正，-表示其方向为负。

三、优化分析结果

3.1  Inspire拓扑优化仿真分析

以支架原始模型建立优化仿真，以支架最大化刚度为目标，其拓扑优化结果如图3.1所示，从图中可以看出优化的结果是梁的外部几何形状与初始模型较为相近，而梁的中间部分基本都被挖空，这就类似于在梁的中心挖孔，但无法确定其孔的形状。

                                                                                (a)               

                                                                                  (b)

                                                               图3.1 Inspire拓扑优化结果

3.2  Optistruct自由形状优化分析

为了验证支架结构中心孔的形状，特在梁的结构中心开了诱导孔，以最小化质量为目标，让孔的形状自由变化，最后其自由形状优化的结果如图3.2所示。从图中可以看出梁的中心孔形状是方形，因此可以确定支架结构的设计形式。

                                                        图3.2 支架自由形状优化结果

3.3  Inspire厚度尺寸优化分析

为了确定支架结构的厚度尺寸，因此需要在Inspire中进行厚度尺寸优化。以最小化质量为目标，其厚度尺寸优化的结果如图3.4所示，厚度为6.5mm，该厚度下的仿真分析结果见图3.5，支架的最大米塞斯等效应力为9.611MPa，满足设计要求。

                                                                  图3.4支架厚度优化结果

                                                                 图3.5支架仿真分析结果

四、分析总结

从以上分析结果可看出，基于Inspire的支架结构设计，为支架正向设计提供了思路与解决方案，且设计结果满足质量与强度的要求。