注塑机模板的优化设计研究（二）

发布日期：2014/9/3 14:48:26

2    移动模板的拓扑优化
        加强筋结构设计不合理,往往是受力零件产生裂纹等失效形式的关键因素。针对这一情况,本文采用变密度的优化准则算法,对移动模板进行结构拓扑优化设计。
2.1    数学模型和求解方法
        变密度法是连续体结构拓扑优化的常用方法之一,在理论和工程研究中应用最为广泛的模型是固体各向同性惩罚微结构模型即SIMP法,它以有限元理论为基础,以结构总柔度的最小化(刚度最大或应变能最小)作为优化目标函数,以结构整体的体积约束作为优化的约束条件在给定的载荷和位移边界条件下,优化时以单元的相对密度xe为拓扑设计变量,这样结构拓扑优化问题被转换为材料的最优分布问题。
        在拓扑优化算法方面,采用优化准则法进行求解时,由于对其设计的修改较大,所以收敛速度快,迭代次数少,且与结构的大小及复杂程度无关,较为适用于大规模结构的优化设计,包括与有限元计算相结合的优化问题,因此应用优化准则法与有限元法结合,求解SIMP的数学模型。
2.2    优化过程
2.2.1    模型建立及优化设置
        根据移动模板的结构和功能特点,结合有限元分析结果,建立拓扑优化模型,其中,浅色部分材料为可优化部分材料,深色部分材料为非优化部分材料。优化部分的材料分布将按照变密度的方法进行拓扑优化设计。
        考虑到优化结果对网格划分密度敏感性,为保证优化结果清晰而收敛时间又不会太长,将非优化部分划分成单元大小为20的四面体,优化部分划分成单元大小为20的六面体和少量的五面体。
        对优化目标进行优化设置:
        设置响应:按照变密度法,设置模型的总体积为体积响应;肘杆支座安装处变形最大,故在模型正面支座安装处上下各取6个节点的总位移作为位移响应。
        定义约束:定义支座安装处上下各6个节点的位移上限是013mm。
        设置目标函数:设置体积响应为目标函数,目标函数取最小。
2.2.2    优化解算
        从Hypermesh进入Optistruct模块进行优化解算得到14次迭代结果的伪密度为013~1的云图,通过拓扑优化,可以明显地看出前模板非实体区域的位置及数量,从图中可以抽象出移动模板的筋板分布情况,导出伪密度云图的IGES文件。
        根据伪密度模型,在UG建立优化后的几何模型,并将优化后建立的模型在Hyperworks解算。优化后的模型应力有很大的改善,应力分布均匀,优化前模型的局部区域最高应力是208MPa,优化后的模型局部最高应力是145MPa,减少30%;优化前模型的最大位移01516mm,优化后的模型最大位移为01382mm,比优化前减少2519%;在UG计算,优化前的模型质量是1980kg,优化后的模型质量是1722kg,比优化前的模型减少了258kg,即减少了13103%质量。
3    结语
        与传统的设计方法相比,有限元-拓扑优化为模板的结构设计提供了一种新型的手段,上述优化方法对目前应用较广的箱式模板设计具有重要参考价值。根据有限元的分析可以获得注塑机各模板的应力分布情况,掌握各部分加强筋对力的贡献情况,从而给出材料的最佳分布方案,不仅提高产品设计刚度,还达到结构轻量化的目标,对于模板的创新性设计具有重要意义。

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