开孔零件的拓扑研究

当你看到一个零件，是否想知道这个设计是否设计合理呢？

如果你在一个对零件性能和质量都非常重要的行业，你可能会让你的设计在保证性能的前提下质量最轻。

可以使用SolidWorks Simulation中的拓扑优化研究，通过设定减轻重量的目标，并达到一定的安全系数，对现有部件进行优化。

例如：我们从2015年第一次机器人竞赛（FRC）的机器人身上取下一个机器人手臂，并将摆动臂的重量优化到机器人需要能够安全提升的负载。

每个机器人的最大重量限制为120磅，因此必须按照规则小心减掉机器人重量中每一磅非必要材料。由于这种限制，团队通常会将每一个可以想象到的开孔都用在零部件上，以最大限度地提高机器的性能。

比如说148队的机器人底盘！

因此，在极端的工况要求下，哪里可以安全地移除重量而不完全损害操作中的部件？在哪里可以去除重量，使零件在操作中几乎不受影响？

为了简化这个问题，我们可以将下图中的2×1管子制成的机器人手臂，在SolidWorks中开始进行简单的静态应力分析。

最终装配前，在两个臂上安装滚轮爪。

滚轮爪和游戏块重约15磅，但由于其他一些负载条件，我们假设每只手臂（每侧各有一只）需要抵抗约20磅才能确保安全。我们将此梁的另一端视为通过固定铰链夹具安装，以模拟由螺栓和链轮安装固定到位，如上图所示。

在进行任何开孔减重之前，对臂进行快速静态应力分析，结果表明，管臂重量为2.4磅，由于施加的载荷，我们预计应力约为9187磅/平方英寸。对于我们的铝材料（屈服强度40000磅/平方英寸左右），这意味着我们从安全系数4.34开始——过度设计！

无开孔的手臂静应力

如果一个机器人需要减重，大多数团队通常会用j可靠的圆孔来做减重孔。在某一点上，机器人需要减少15磅的重量，所以在我们开始优化机器人之前，我们会使用SolidWorks进行模型设计。

如果我们去掉太多的重量，我们会损害设计吗？这是这次挑战中最大的恐惧因素。我们需要确定我们做出了正确的选择，因此我们进行了另一个模拟，并确定如果我们在关节附近放置了一些减重孔，很明显手臂会失效。

加减重孔后臂部的静应力

最后，我们在Solidworks中使用这种圆孔减重，结果是我们可以将部件的质量减少一个相当大的量，并将双臂的重量减少到大约3.1磅。最后，我们在这两个部件上节省了将近40%的重量，但是在再次运行安全系数检查之后，我们发现我们几乎没有对部件的性能造成任何影响。安全系数为4.2——仍然是大量的过设计。我们将孔开的比较密，换成更轻的板材，使用更薄的壁厚，然后继续用这个机器人赢得锦标赛。它的重量为119.8磅，没有超出允许的120磅。当时是没有用拓扑优化。

我记得在2015年的模拟中，我的学生们手动优化了这一特定部分，我记得在钻床上切第一个孔时他们眼中的恐惧。

我们究竟能制造出多轻的零件，即使到今天，仍在商店里的一些机器人上使用？

质量降低50%，一次通过拓扑优化

当SOLIDWORKS有了拓扑优化分析后，我对这个机器人部件进行了第一次拓扑优化，目标是将部件重量减少50%。我可以告诉SolidWorks在链轮底座周围的哪里留下足够的材料，也可以告诉SolidWorks在手腕上爪的位置留下足够的材料，这样研究就可以在这个区域周围留下一个材料区域。这50%的降幅让我得到了一个安全系数为3.2的设计。

接受挑战，让我们试试75%的质量减少！

通过75%的质量减少，我得到了安全系数为2.1的设计，几何结构非常轻薄。经过这一过程结束后，我相信这个形状的结构是接近承受负载所需的最小形状。

许多设计师使用三角形作为他们的开孔形状，但这样一个结构三角形的位置是最重要的。如果我们是3D打印，零件是按照我们看到的方式打印形状，但不幸的是，拓扑优化后的形状实际上不是您真正要制造的形状，那么我们现在如何处理这些数据？

将其导出广顺网格体，会给我们一个可以修改的设计文件。

一旦我们将网格体引入SolidWorks，我们就可以使用一些技巧来到达一个已完成的设计部分，而这正是使用SolidWorks的优势所在。

首先，由于网格的存在，我们不能对它做太多的工作，而且我们不能向网格模型本身添加设计智能。但我们可以在它上面建模和跟踪，并将它用作开孔需要去除材料的地方的模板。在这里，我们可以创造性地设计不同的开孔样式，添加圆角和额外的几何图形，以测试最终对安全系数的影响。

将网格用作背景，并最终确定开孔的位置。

只需跟踪开孔位置，这是跟踪模型减少75%的结果。这个模型重0.7磅，安全系数仍然是2.7！

但是等等，这些开孔又尖又薄，不统一，也不好看。从拓扑研究中学习，我们可以为模型添加更好的约束，使其成为您希望制造和使用的部件。

最后，我们学习并应用了一些侧向荷载和扭转荷载，得出了基于拓扑结果的最轻设计。一个重达0.9磅的臂可以承受所有3种类型的负载，有一个吸引人的设计，而且由于SolidWorks拓扑研究，很容易加工！

最后一部分：9磅，总重量减少63%，在所有3种情况下都能承受载荷！

当以这种方式使用时，拓扑研究是一个非常强大的工具，我希望这能激励更多的用户获取SolidWorks模拟，并了解他们的部件是如何工作的。让我大开眼界，了解为什么大多数开孔都是三角形的！

（作者：Robbie Hoyler•TPM）