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1、电动滑板桥轻量化优化设计作者：暂无来源：智能制造 2016年第8期撰文/ 厦门大学嘉庚学院 陈毅龙 林育兹 郑伟本文通过SolidWorks建立参数化的电动滑板桥三维模型，导入ANSYS Workbench中进行静力学分析，根据分析的应力、应变结果，进行拓扑优化，得到合理的拓扑结构。结合拓扑优 化结果和工程经验，以质量最小为目标函数，强度为约束条件，进行滑板桥尺寸优化设计，在 保证滑板桥强度前提下，优化后的滑板桥比原滑板桥质量减少了33.33%，取得良好的轻量化效 果。该优化方法为电动滑板车轻量化设计提供一种思路。一、引言电动滑板是在传统滑板上加装一套电控驱动系统，它通过遥控器控制专用电机转向
2、和转速， 经传动机构带动滑板的轮子转动，从而使滑板行进，实现代步的作用，其作为一款新型的代步 工具，深受年轻人喜爱，成为一种流行趋势。电动滑板桥是连接轮子与板面的支架结构，承担 轮子与板面之间动力传递。目前，国内电动滑板桥均沿用了传统滑板桥的结构设计，但由于电 动滑板不需要做出传统滑板诸如起跳、翻转之类的动作，受力情况单一，传统滑板桥结构便显 得较为笨拙，强度上存在较大冗余，因此去除桥结构多余材料，减轻重量变得尤为重要。国内 对电动滑板研究主要集中在电控系统和板面材料选择上，针对桥结构优化鲜有研究。针对以上情况，本文建立了电动滑板桥有限元模型，通过静力学分析，得到电动滑板桥的 应力、应变结果，
3、根据分析结构，进行拓扑优化，得到合理的拓扑结构。随后，以质量最小为 目标函数，强度为约束条件，进行电动滑板桥尺寸优化设计，在保证滑板桥强度前提下，取得 了良好的轻量化效果。该研究为电动滑板桥结构设计优化提供一种思路，对减轻重量、节约成 本具有重要意义。二、电动滑板桥结构应力分析1. 电动滑板桥有限元模型所选电动滑板桥实物，如图1所示，材质为结构钢，重量为0.66kg。根据电动滑板桥实物, 在SolidWorks中建立三维模型，然后通过专用接口将SolidWorks模型无缝导入ANSYS Workbench中。在ANSYS Workbench中对其进行网格划分，划分后网格的主要参数为：网格形 状
4、六面体，网格大小3mm，网格数28490个，节点数43633个。建立起的有限元模型，如图2 所示。罔 口 业4刊：=出*/卜比1乐2厂 W*,-i2.电动滑板桥静力学分析桥两端通过滚动轴承与车轮连接，中部凹坑处通过螺栓与滑板连接，该处承受来自滑板的 主要压力，顶部半球结构通过球面副与滑板连接，该处结构用于转向之用，同时承受一部分压 力。电机带动车轮旋转，通过滚动轴承推动桥行进，该桥不做转动，可忽略对剪切力的分析。 滑板起动瞬间，桥左右两端将受到轮子传来的水平推动力，考虑到起动瞬间并非常规状态，同 时滑板匀速行驶过程中该力为零，将模型简化，本文只对静态下受力情况进行分析。当人静止的站在滑板上时，
5、受力分析如图3所示。人和滑板自重合计100kg，重力G为 1000N,每根桥竖直方向承重F为500N，因桥与地面水平方向成45，所以桥承受来自板面的 压力N约为700N。取左右2端轴承连接处为固定端，得到载荷模型，如图3所示。其中A处 紫色部分为固定约束，B处红色部分为施加在桥上的载荷。根据材料力学第四强度理论，分析计算后的最大等效应力云图如图4所示，总变形量如图 5所示。由图5可见，应力最大处主要集中在桥左右2端的位置4处，该处截面形状的突变引起 了应力集中现象，最大等效应力达到了 138.75MP。在该模型下，滑板桥等效应力小于45钢屈 服极限355MP，安全系数为：出3电渤涓扳b g赴段
6、币:也图斗巌大孝豉应力分析云图： s总豈形星分巧竺型该安全系数大于塑性材料结构钢常用的1.22.5安全系数，因此该滑板桥满足强度要 求。由图6可知，最大变形处发生在红色半球结构上，变形量为0.15mm,该变形量对于间隙配 合的球面副结构没有影响，因此该轮桥可正常使用。由图5可见，大多数位置最大等效应力较小，其中位置1、2、3、5处最大等效应力很小, 在15.42MP以下，整根桥应力分布不均，材料存在大量浪费现象，额外的重量也影响动力性能。 由于电动滑板的工作情况较单一，原桥结构强度冗余较大，无法满足电动滑板车设计要求，因 此对该桥进行拓扑优化设计，去除掉多余的材料，重新设计结构。三、电动滑板桥
7、结构拓扑优化1. 拓扑优化理论基础拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设计空间最佳的分布形式，或在设计域空间需求结构 最佳的传力路线，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。拓扑优化主要应用于概念设计阶 段，得到最佳的材料分布，避免设计的盲目性，经拓扑优化后设计方案再经形状和尺寸优化以 得到最优方案。针对连续体拓扑优化，目前有变厚度法、均匀化理论和变密度法等诸多理论。本文中采用 变密度法，其本质上是一种0,1离散变量的组合优化问题，因此可建立如下数学模型：Fiyfd :=（V j 尤T” ） 丁-F U（V 厂WF KU忌.幻（ii式中，Xi为设计变量，代表离散单元相对密度，取值在xmin,1之间连
8、续值,n代表设计 变量个数。K为总刚度矩阵，U为结构的位移向量，F为结构所受的外力向量，V为结构体积。2. 电动滑板桥拓扑优化设计以最大等效应力为约束条件，质量为目标函数，通过ANSYS Workbench中的ShapeOptimization功能对所选桥进行优化，选择Target Reduction值为30%，优化后结果如图6、 图7所示。图6为Shape Optimization给出的优化外貌图，其中橙色部分为可去除部分，米黄部分 为边界区域，灰色部分为保留部分。图7为上限等值面云图，表示该轮桥内部可去除的部分。综合分析图47,对原滑板桥做形状优化处理。(1) 整体可去除量很大，达30%以
9、上，考虑到内部掏空方式在制造上较难实现，主要采 取从外部挖除材料方法进行优化设计。(2) 图6中1处圆孔可进一步扩大。(3) 2处为连接处，因配合要求，中心形状不变，周边一圈挖除多余材料。卜汁 r I f.V-Il WIL. 11J f7C1lr：5足 KWI（4）3处有1过渡圆角，经Design Exploration模块参数化分析后可知，圆角几乎不会 影响最大等效应力，但会影响最大形变量，随着圆角增大形变趋小。（5）4处考虑到与轴承的配合，受到尺寸约束，不做车削外径处理。（6）5处考虑到加工难度和成本，不做镗孔去除处理。根据以上几点，先在SolidWorks中对该桥形状做修改，随后导入AN
10、SYS中进行静力学分 析，经过几十次修改和比较，得到新形状，新形状的最大等效应力和总变形量如图8、9所示。图8中，2、3、4处挖除多余材料，1、5处不变，整体应力分布较原结构均匀。应力最大 处位于1处截面突变处，为141.31MP，略大于优化前的138.75MP。重量为0.46kg，仅为优化 前质量的69.79%。最大变形量0.34mm，虽较优化前小幅提升，但仍然很小，对正常使用没有影 响。四、电动滑板桥尺寸优化设计1. 尺寸优化理论基础尺寸优化是拓扑和形状固定条件下一种参数化的技术，以几何尺寸为设计变量，寻找最优 参数组合的一种方法。优化设计有3要素，即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量
11、是发 生改变从而提高性能的一组参数；目标函数要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数；约 束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。尺寸优化数学模型如下：川和 J（I）= .fc 也弍中为目标酬，功时变量、f,（T）删2. 四轮电动滑板车轮尺寸优化根据尺寸优化数学模型，选取图8中2处的挖除深度为变量X,质量为目标函数f (x), 等效应力为约束条件fi (x)，经过Design Exploration模块求解后，获得参数响应图，如 图10、11所示。图10中，横坐标表示挖除深度，纵坐标表示最大等效应力，最大等效应力随着挖除深度 增加而变大。图11中，横坐标表示挖除深度，纵坐标表示桥的
12、质量，质量随着挖除深度增加 而减小。取安全系数2.5,则允许最大等效应力为142MP，取该值为约束条件，优化后的目标质量为 0.44kg。滑板桥优化前后最大等效应力、质量对比如表所示。由表可知，通过优化设计，在满足强度前提下，将质量减少了 33.33%,获得了良好的轻量 化效果。圏fl最止等枚应尢?癸甑堆去*詡11底.主夢谢巴应肖SSSSjSJW嘛五、结语根据某电动滑板桥实物，建立有限元模型，通过拓扑优化，将冗余材料去除，设计出新的 结构，解决了应力分布不均的问题并进行尺寸优化。优化结果表明，在满足强度的情况下，桥 质量减少了 33.33%，获得了良好的轻量化效果。通过轻量化优化，减少原滑板桥质量、提高材 料利用率、降低生产成本、提高动力性能，使该电动滑板更具市场竞争力。该优化设计为电动 滑板桥改进提供借鉴，具有工程实际意义。
