基于Inspire的某齿轮箱拓扑优化

       传统的产品设计往往需要通过几何模型设计-CAE软件分析-改进等进行优化，其中CAE软件会涉及较复杂的几何处理、网格划分等步骤，初学者较难上手。SolidThinking Inspire相比于Altair Optistruct拥有更为强大的拓扑优化功能和效果，见面简介，易学易用。

1 拓扑优化

       拓扑优化（Topology Optimization）是一种根据给定 的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的设计方法，拓扑优化属于结构优化的一个子类别。拓扑优化是以材料分布作为优化对象，通过该优化方法，人们可以在均匀分布材料的设计空间中找到最合理的材料分布方案。 由此可见，拓扑优化相比其他结构优化类别，具有更 多的设计自由度，拓扑优化可以获得更大的设计空间，是结构优化中最具发展前景的一个方向。

2.原始设计

       图1所示为某齿轮箱模型，其中齿轮箱底部四个螺栓孔固定，大齿轮孔与小齿轮孔受到两作用方向相反的转矩。

3.优化分析

3.1创建材料属性

        选择材料为STEEL（AISI316），316L的抗拉强度为385MPa；屈服强度为170MPa；伸长率30%；面积缩减40%；316L不锈钢的密度7.98g/cm3；硬度为HRB<90 HV<200 HBS<187。具体材质选择如图2所示。

3.2定义连接

利用结构仿真-螺栓连接部分将齿轮箱上下部分进行连接，如图3所示。

3.3定义约束和载荷条件

       利用结构仿真-载荷/约束模块对零件进行加载约束，大齿轮孔位置受到400N.m，小齿轮孔受到200N.m转矩作用（两转矩作用方向相反），齿轮箱底面收到固定约束，如图4所示。

3.4定义设计空间

        在进行拓扑优化前，需要确定结构的设计空间。各安装孔是用来安装的螺栓孔位，需要保持形状基本不变，将其定义为非设计空间，将齿轮箱上半部分定义为设计空间，如图5所示。

       原始几何为一体模型，不能将齿轮箱本体和安装孔分别定义，参照原模型重新定义了安装孔，使其与齿轮箱本体互为独立但保持连接关系的几何结构，此方法对模型的整体性能影响较小，可忽略不计。

3.5定义优化目标

       按照目标要求，设置刚度的最大化目标，质量的优化目标，进行参数设置，利用SolidThinking Inspire进行分析计算，具体步骤如下：

（1）选择优化图标组中的运行优化图标，进行打开优化窗口，如图7所示；

（2）优化目标为最大化刚度；

（3）质量目标为设计空间总体积的30%；

（4）频率约束最小为20Hz；

（4）厚度约束中选择最小1.5m;

      确定其他参数厚点击窗口下端的“运行”按钮，进行拓扑优化计算。最终优化结果如图8所示。

       由图8可知，SolidThinking Inspire拓扑优化后的一阶固有频率为21.4Hz，满足要求。拓扑优化前后齿轮箱质量由5.346E+06k减少至4.589E+06kg，如图10所示，优化效果显著，整体用时较短。

4 结论

       SolidThinking Inspire能再较短时间内实现轻量化拓扑优化设计，在该优化中通过设置优化模型的参数和约束既可实现优化。 SolidThinking Inspire 软件将 Altair Optistruct 求解器进行隐式化处理，操作界面更加简洁，使得初学者更容易上手，是结构设计工程师的一个得力助手。

参考文献

[1] 徐成斌，路明村，张卫明．solidThinking Inspire优化设计基础与工程应用 [M].北京：机械工业出版社, 2017.