扳手零件的优化设计.docx

1、扳手零件的优化设计【例19-3】扳手零件的优化设计【问题描述】 如图1所示为一个扳手简易图，长度为length，扳手小端宽度为width， 扳手大端圆角半径为fillet。已知零件厚度为5mm，材料弹性模量MPa，泊松比0.3，屈服强度200MPa。使用时大端内六边形固定，载荷通过小端圆弧与上边的切点，大小500N。现对其长度（范围为150-250mm）、小端宽度（范围为20-40mm）、大端圆角半径（范围为5-15mm）等尺寸进行优化，使零件用料最省，并且最大应力不超过屈服应力200MPa。图1问题分析：设置三个尺寸变量，分别为长度length，小端宽度width和大端圆角半径fillet；

2、目标为零件用料最省，即体积最小化，且满足最大应力不超过屈服应力200MPa。 优化前处理 新建模型(1) 在电脑开始菜单单击【ANSYS 15.0】-【Workbench】，进入【workbench】工作界面。点击【File】-【Save】，保存文件至指定的目录位置并输入项目名称。(2) 菜单栏单击【Units】，选择【Metric(tonne，mm，s，mA，N，mV)】。(3) 单击打开工作界面左部工具箱中【Analysis Systems】的下拉列表，将其中【Static structure】左键点住拖动到项目管理区，项目管理区中出现Static Structure模块A，如图2。图2定

3、义材料属性(1) 双击模块A中的【Engineering Date】，进入材料定义模块。(2) 添加材料。单击工作区域左上角的“Outline of Schematic B2: Engineering Data”模块底部的“Click here to add a new material”添加新材料，输入材料名称“banshou”。然后单击展开左侧的“Liner Elastic”栏双击选择其中的第一项“Isotropic Elasticity”如图3。接下来在右侧“Properties of Outline Row 4:banshou”模块中填写杨氏模量“Youngs Modulus”2000

4、00Mpa，此时应注意单位为Mpa。同时填写泊松比“Poissons Ratio”为0.3如图4。(3) 完成材料定义，返回到Workbench工作界面。图3图4建立二维模型(1) 双击模块A的【Geometry】进入DM子程序进行建模。点击【unit】设置单位，选择毫米【Milimeter】。(2) 创建草绘平面。单击选中导航树目录的【XYPlane】，单击工具栏中创建草绘按钮创建一个草绘平面，此时导航树目录中【XYPlane】下会多出一个名为【Sketch1】的草绘平面如图5。 图5 图6(3) 创建草图。单击选中导航树目录的【Sketch1】草图，然后单击树形目录下端的【Sketchin

5、g】标签，打开草绘制图工具窗格。单击工具栏中【正视】按钮，切换为XY平面正视图。(4) 绘制草图。打开草图绘制工具箱默认展开绘图栏【Draw】，单击选定【Circle】在绘图窗口绘圆，在工具箱【Constraints】栏内点击【concentric】点击坐标系原点与草图中圆心定位。之后在绘图栏【Draw】中点击画弧【Arc By Center】，在绘图区画一个半圆弧，同时点击【Constraints】栏内点击【Coincident】点击弧中心和坐标系X轴定位。之后【Draw】中点击绘画直线【line】，连接弧端点与圆，如图6。(5) 标注草图。展开草图绘制工具箱中【Dimensions】栏内的

6、直径标注【Diameter】命令，标注圆和圆弧尺寸。接下来应用【Length/Distance】命令标注右侧圆弧中心和Y轴中心线之间的距离。此时草图中所绘制的轮廓线由绿色变为蓝色，表示草图中所有元素均为完全约束。(6) 修改尺寸。对以上步骤绘制出的草图进行尺寸定义，包括大端直径，小端直径和长度，标注完成后，左下方属性窗口出现各个尺寸大小如图7，对其进行修改。将D1的参数修改为50mm，D3的参数修改为30mm，L4修改为200mm，修改后如图8。 图7 图8(7) 修剪草图。点击展开草图绘制工具箱中【Modify】栏内的修剪【Trim】对草图进行修剪，修建如图9。 图9 图10(8) 创建倒角

7、特性。点击展开草图绘制工具箱中【Modify】栏内【Fillet】命令并在【Radius】中更改倒圆角半径为10mm。打开【Dimensions】中【Radius】命令对倒圆角进行标注，在绘图区域单击需要改的角；点击【Constraint】栏内【Equal Radius】将两个倒角设置相同。修剪并创建倒圆角特性后的草图如图11。(9) 绘制六边形。单击选定绘图工具箱中【Draw】的【Polygon】命令，取n=6，绘制正六边形。绘制完成后，展开草图绘制工具箱的【Dimensions】栏选中【General】命令，选取正六边形底边长进行尺寸标注。最后在属性窗格中修改正六边形的尺寸将H6设为15m

8、m。 图11 图12(10) 创建二维模型。点击左上角“Concept”“Surface From Sketches”如图八所示。随后随便选取模型上的一条线，点击“Details View”栏里的“Apply”。随后设置模型厚度为5mm如图12。随后点击“Generate”，生成模型实体，如图13所示。此时生成的模型实体是二维的。图13(11) 设定参数，为之后的优化做准备。单击设计树中【XYPlane】下的【Sketch1】，在出现的参数设置列表中单击参数L4前的方框，弹出对话框，在对话框中输入【length】如图14。单击参数D3前的方框，弹出命名对话框，在该对话框中输入【width】。单

9、击参数R5前的方框，弹出对话框，在对话框中输入【fillet】。最终定义的三个参数前方框出现D，表示完成参数化定义，如图15。 图14 图15(12) 退出DM，回到workbench。划分网格(1) 双击Model栏，进入“Mechanical”窗口。在树形目录中单击选择“Mesh”。此时“Context”工具条显示为“Mesh”工具条，如图16。在工具条中可以对模型进行网格划分。单击“Mesh Control ”，在弹出的下拉列表中选择“Sizing”来控制划分的网格的大小。图16(2) 网格的划分。在菜单栏中选定“选择面”按钮。然后单击选定视图栏中的模型。此时选定的模型变成绿色。在左下角

10、“Details of Sizing-sizing”栏中“Geometry”后面选项中选择“Apply”，此时视图中选定的模型变为蓝色。在“Element Size”中可以设定要划分单元的大小，此处选择“2mm”。单击工具栏上的“Update”等待网格划分结束，单击树形目录中的“Mesh”可以看到网格划分情况。点击顶部工具栏“View”中“Thick Shells and Beams”如图17。此时模型显示出了自己的厚度。图17添加边界约束和载荷(1) 单击树形目录中的“Static Structural”，此时“Context”工具条显示为“Environment”工具条。在该工具条中对模型

11、施加载荷。单击工具条中的“Support”，在弹出的下拉列表中选择第一个“Fixed Support”，在菜单栏中选定“选择线”Edge按钮，然后选定扳手正六边形的六条边（按住Ctrl进行多选），选中的线变为绿色。在属性窗格里“Geometry”后面单击“Apply”。此时已选定了这六条边施加了固定约束，如图18。图18(2) 在“Context”工具条中单击“Loads”在弹出的下拉列表中选择“Force”，在菜单栏中选定“选择点”按钮，随后选中模型小段圆弧与把手侧面的切点。在属性窗格“Geometry”后面单击“Apply”即选定该点上施加载荷。接着选择“Define By”后面栏中的“C

12、omponents”来定义载荷作用方向。在“Y Components”后输入“-500”如图19。确定好方向后，单击“Apply”载荷加好以后如图20。图19图20六、静力分析(1) 选定步骤四新建的材料。在树形目录中打开“Geometry”的下级目录。单击选中“Solid”，将属性窗格“Assignment”栏后面的材料更改为新建的“banshou”，如图21。图21(2) 静力分析。单击树形目录中“Solution(B6)”，此时“Context”工具条显示为“Solution”工具条，单击该工具条中的“Stress”，在弹出的下拉菜单中选择第一个“Equivalent(von-Mises

13、)”。最后单击菜单栏中的“Solve”按钮，等待分析结束。(3) 查看结果。单击树形目录中“Equivalent Stress”即可看到静力分布云图。如图22。由图可看出扳手所受最大应力为143.84Mpa，小于其屈服强度200Mpa，因此扳手在该工作条件下不会发生形变失效。此时模型显示为三维状态。图22(4) 设置输出参数，为后续的优化做准备。导航树点击【Geometry】下的【Solid】，在底部属性栏中展开【Properties】，点击【Mass】前的小方框，方框出现P，完成对体积参数的设置如图22。同理，单击导航树【Equivalent Stress】，底部属性栏【Results】中点

14、击【Maximum】前的方框，完成最大应力参数的设置如图23。 图23(5) 退出Mechanical，回到workbench。直接优化优化参数设置(1) 将工具箱中【Design Exploration】的【Direct Optimization】左键点住拖动到项目管理区，当模块A下出现红色虚线方框后，放开鼠标，则模块B出现，且通过参数设定相连，其中数据可共享如图24。图24(2) 双击模块B中【Optimization】，进入参数优化界面，点击【Outline Of Schematic B2：Optimization】，其中第6到8行为三个尺寸输入参数如图25，点击【P1-length】，

15、在弹出的【Properties Of Outline：P1】中修改P1参数的上下限，在【Lower Bound】中输入150，【Upper Bound】中输入250如图26。同理，修改【P2-Width】和【P3-Fillet】上下限如图27。图25 图26 图27(3) 设置优化目标和限制。点击【Outline Of Schematic B2：Optimization】的第3行【Objective and Constraint】，在弹出的【Table of Schematic B2：Optimization】中选择要输出的优化参数，定义一个目标和一个限制。此优化方案选择扳手的体积和扳手最大应

16、力值作为输出参数，因此选择P4-geometry volume和P5-Equivalent Stress Maximum，并置输出质量类型为最小值，应力限制为小于一个数值，最大值小于屈服强度200Mpa，如图28。图28(4) 设置优化方法。单击【Outline of Schematic B2：Optimization】中的，在弹出的【Properties of Schematic B2：Optimization】第7行中选择优化方法为【adaptive single-objective】，【maximum number of evalutions】设置为100，【convergence to

17、lerance】设置为0.0001，如图29。图29优化及结果分析(1) 点击update，开始优化计算，经过80步后收敛，出现优化结果如图30。结果推荐三个点较好，其中最好的点体积最小为20546立方毫米，应力199.3MPa，此时优化的三个参数分别为150mm长，20.286mm宽，以及15mm的圆角。图30(2) 查看优化结果。单击【Outline of Schematic B2：Optimization】中的【Tradeoff】，可以看到列出的三个最优点如图31。图31(3) 点击单击【Outline of Schematic B2：Optimization】中的【Candidate

18、Points】，在弹出的【Table of Schematic B2：Optimization，Candidate Points 】中出现三个优化点参数，在第四行输入reference名称，按enter建后出现原始数据，并点击将其设为参照点，右键点击对参考点计算，如图32。可以看出，最优点相比原模型体积少了41.59%，应力多了39.50%，满足要求。图32(4) 至此完成了参数化直接分析。退回到workbench管理区。响应面优化 优化参数设置(1) 将工具箱中【Design Exploration】的【Response Surface Optimization】左键点住拖动到项目管理区，当

19、模块B下出现红色虚线方框后，放开鼠标，则模块C出现，且通过参数设定相连，其中数据可共享如图33。图33(2) 进行实验设计。单击模块C中【Design Of Experiments】，在【Outline Of Schematic C2：Design Of Experiments】中设置输入参数的上下限，其中第5到7行为三个尺寸输入参数，点击【P1-length】，在弹出的【Properties Of Outline A5：P1-length】中修改P1参数的上下限，在【Lower Bound】中输入150，【Upper Bound】中输入250如图34。同理，分别点击【P2-Width】和【P

20、3-Fillet】，在其弹出的属性窗口分别输入上下限。图34(3) 设计实验点确定。点击菜单栏【Preview】,生成包括原模型的15个设计实验点如图35。图35(4) 设计实验点计算。点击菜单栏【Update】，对设计实验点分别计算，结果如图36。图36(5) 设计实验点优化。回到workbench，点击模块C中【Optimization】，进入优化界面。首先设计目标与约束，点击【Outline Of Schematic C4：Optimization】的第3行【Objective and Constraint】，在弹出的【Table of Schematic C4：Optimization

21、】中选择要输出的优化参数，此优化方案选择扳手的体积和扳手最大应力值作为输出参数，因此选择P4-geometry volume和P5-Equivalent Stress Maximum，并置输出体积为最小值，应力目标类型为最大值，且使应力限制为小于一个数值，最大值小于屈服强度200Mpa如图37。图37(6) 设置优化例子个数。单击【Outline of Schematic C4：Optimization】中的【Optimization】，在弹出的【Properties of Schematic A2：Optimization】第9行中设置优化模型个数，此次优化设定了1000个优化模型如图38。

22、图38优化及结果分析(1) 进行优化计算。点击菜单栏【Update】。(2) 优化结果分析。计算完成后，弹出【Table Of Schematic C4：Optimization】中写出三个优化点如图39，其中最好的点体积最小为21305立方厘米，应力198.5Mpa，此时优化的三个参数分别为150.83mm长，21.29mm宽，以及8.9556mm的圆角。点击【Outline of Schematic C4：Optimization】中的【Tradeoff】如图40，最优点为蓝色，最左侧为最佳优化点。图39图40(3) 点击【Outline of Schematic C4：Optimizat

23、ion】中的【Candidate Points】，在弹出的【Table of Schematic C4：Optimization，Candidate Points 】中出现三个优化点参数，在第六行输入原模型参数，并在A列选择其为【Reference】，显示三个优化点关于原模型的结果比较，如图41。可以看出，最优点相比原点体积少了39.43%，应力多了38.20%，但仍然满足要求。图41拓扑优化 优化参数设置(1) 返回workbench主界面，设置测试选项显示。由于形状优化功能在workbench中为测试项，故单击菜单栏【Tools】-【Options】，在弹出的option窗口中点击【App

24、earance】，下拉至最后找到【Beta options】，点击其前面的方框，方框中出现对勾，点击右下方【OK】如图42。图42(2) 将工具箱中【Analysis Systems】的【Shape Optimization（Beta）】左键拖动到项目管理区，当模块A中至【Model】变红时，放开鼠标，则模块B出现，且通过参数设定相连，其中模型网格等数据可共享如图42。图42(3) 双击模块B中【Setup】，进入mechanical设置界面如图43，由于模型与网格数据可共享，故直接进行约束与载荷设置。图43(4) 约束和载荷设置。此两项与上述相同，点击导航树【Shape Optimizati

25、on】，单击工具条中的“Support”，在弹出的下拉列表中选择第一个“Fixed Support”，在菜单栏中选定“选择线”Edge按钮，然后选定扳手正六边形的六条边（按住Ctrl进行多选），选中的线变为绿色。在属性窗格里“Geometry”后面单击“Apply”。在“Context”工具条中单击“Loads”在弹出的下拉列表中选择“Force”，在菜单栏中选定“选择点”按钮，随后选中模型小段圆弧与把手侧面的切点。在属性窗格“Geometry”后面单击“Apply”即选定该点上施加载荷。接着选择“Define By”后面栏中的“Components”来定义载荷作用方向。在“Y Compone

26、nts”后输入“-500”如图44。图44(5) 设置优化目标。导航树单击【Solution】-【shape finder】，底部明细栏【target reduction】中调节为40%如图45。图45优化及结果分析(1) 进行优化计算，单击菜单栏中的【Solve】按钮，等待分析结束。(2) 分析结束后，查看优化结果。单击导航树【shape finder】，如图46。图中红色部分为优化建议移除部分，灰色为留下部分，以及淡灰为边界。根据优化结果进行工程化修改模型。图46模型修改及分析(1) 根据上述优化结果，对模型进行去除材料优化修改。首先将内六角左半部分去除材料；第二减少扳手长度；第三将扳手中

27、心部分少量去除。最终修改结果如图47。图47(2) 退出Mechanical，返回Workbench。(3) 再次建立静力分析，单击打开工作界面左部工具箱中【Analysis Systems】的下拉列表，将其中【Static structure】左键点住拖动到项目管理区，项目管理区中出现Static Structure模块C，如图48。图48(4) 定义材料与上述相同。双击【Geometry】进入DM进行模型定义。在XY平面建立草图如图，先建一个半圆，再建一个反方向半圆，定义两个半圆尺寸，将其通过直线连起来；之后再建一个半圆，通过直线将其相连，定义各尺寸，通过修建去掉多余部分，之后建立倒角。完

28、成后，在中间建立一个椭圆，尺寸定位椭圆及大小，最后如上述建立六边形。最终草图如图49。图49(5) 创建二维模型。点击左上角“Concept”“Surface From Sketches”如图八所示。随后随便选取模型上的一条线，点击“Details View”栏里的“Apply”。随后设置模型厚度为5mm。随后点击“Generate”，生成模型实体此时生成的模型实体是二维的如图50。图50(6) 退出DM，回到workbench。点击模块C【Model】进入mechanical。(7) 对新模型画网格。在导航树形目录中单击选择【Mesh】。单击工具栏【Mesh Control】，在弹出的下拉列

29、表中选择【Sizing】来控制划分的网格的大小，在左下方出现的明细栏中需要选择扳手，点击【Apply】确定，在下方【Element Size】输入2mm，导航树右键【Mesh】，单击【Generate Mesh】，完成网格划分如图51。图51(8) 设置约束与载荷。单击树形目录中的“Static Structural”，此时“Context”工具条显示为“Environment”工具条。在该工具条中对模型施加载荷。单击工具条中的“Support”，在弹出的下拉列表中选择第一个“Fixed Support”，在菜单栏中选定“选择线”Edge按钮，然后选定扳手正六边形的六条边（按住Ctrl进行多选

30、），选中的线变为绿色。在属性窗格里“Geometry”后面单击“Apply”。此时已选定了这六条边施加了固定约束。然后定义载荷，在菜单栏中选定“选择点”按钮，随后选中模型小段圆弧与把手侧面的切点。在属性窗格“Geometry”后面单击“Apply”即选定该点上施加载荷，在明细栏中修改载荷大小定义方式为【Component】，Y方向大小设置为-500N。约束与载荷如图52。图52(9) 静力分析设置。单击树形目录中【Solution(B6)】，单击工具栏中的【Stress】，在弹出的下拉菜单中选择第一个【Equivalent(von-Mises)】。单击菜单栏中的【Solve】按钮，等待分析结束。(10) 查看结果。单击树形目录中【Equivalent Stress】即可看到静力分布云图如图53。由图可看出扳手所受最大应力为181.7Mpa，虽然应力相比原模型提高，但是最大应力没有超过屈服应力，满足要求，且减少了一定的质量。图53(11) 至此，(12) (13) 完成了全部的形状优化。关闭mechanical，返回workbench，保存后关闭程序。