李 阳 高常青 杨 波 徐征和 张治晖

（1.济南大学 机械工程学院，济南 250022；2.济南大学 资源与环境学院，济南 250022；3.北京中水科工程总公司，北京 100000）

SolidThinking Inspire是一款为机械设计师打造的计算机辅助工业设计/造型软件。该软件应用了Altair Optistruct求解器，利用了拓扑优化技术，使得通过该软件的优化最终可以获得最省材料的结构。Inspire软件拥有良好的拓扑优化功能和优化效果，界面简洁，易学易用，可以让人们从结构的经验化设计逐步转向简单可靠的拓扑优化设计[1]。

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 拓扑优化的商用软件

目前，在连续体上拓扑优化的研究已经比较成熟。在拓扑优化的优化方法中，变密度法目前已被应用到商用优化软件中。在这些拓扑优化的商用软件中，最著名的软件是美国Altair公司Hyperworks系列软件中的Optistruct软件和德国Fe-design公司的Tosca软件。前者能够采用Hypermesh作为该软件的前处理器，Optistruct软件在各大行业中都有着比较广泛的应用；后者Tosca优化软件最初只是集中于优化设计方面，支持全部的主流求解器，操作起来十分便捷。其间，人们可以利用熟悉的CAE软件来执行前处理加载，之后利用Tosca软件来进行优化，十分便捷。近年来，德国Fe-design公司通过和Ansa联盟，开发了基于Ansa的前处理器和Tosca Gui界面，以及ansys workbench软件中的ACT插件，它可以直接在workbench软件中进行拓扑优化仿真。此外，由于Ansys软件中的命令比较丰富，国内有不少人采用Ansys自编拓扑优化程序。

但是，SolidThinking Inspire软件界面更为简洁，其算法与市面上的拓扑优化算法相比也毫不逊色，初学者极易上手，并且该软件能结合工艺性，优化出结构更为合理且具有良好工艺性的结构。所以，本文选择SolidThinking Inspire作为拓扑优化的软件。

3 水平钻机机架设计背景

现有水平钻机的主流机架配套的是只具有旋转功能的液压水平钻机。随着技术的发展，为了提高水平钻机钻进效率，人们在钻机的旋转功能之上增加了冲击功能。在此情况下，水平钻机机架所受到的力除了钻机的行程油缸给的推力之外，还受到活塞给其的反作用力。故通过比较容易得知，水平钻机机架比之过去所受到的力更大，所以水平钻机机架刚度要求也变得更加严格[2]。人们必须增大其刚度，在合理的情况下，要减小用于增加刚度机构的质量以便降低成本，实现轻量化设计。因此，在工程设计初期，人们有必要对其进行高刚度、低质量的优化设计。本次优化设计采用SolidThinking Inspire软件进行结构优化，然后采用CAD软件进行重新建模，最后采用CAE软件进行计算分析[3]。

4 水平钻机机架优化设计

4.1 设计空间定义

设计空间指需要优化的初始结构。在设计优化过程中，人们不会改变非设计空间的结构。拓扑优化设计会删减掉设计空间中材料的冗余部分，使得设计空间内的结构以最小的质量获得所需要的最好力学性能。通过拓扑优化会充分挖掘设计空间内的优化潜力，在保证约束和载荷能够有效地传递到结构上的同时，满足结构的工艺性等要求[4]。

根据该水平钻机机架与水平钻机的安装要求，以及其工作放置环境，为了满足机架后部弧形内壁一侧固定行程油缸的工艺性需求，满足水平钻机前进的空间特征需求，本文创建了如图1所示的初始钻机机架和设计空间。

图1中红色部分为设计空间，灰色为非设计空间。图中机架外部两侧是用来安装前支撑油缸的“挂耳”从而实现支撑功能。整个灰色机架是最初设计时的“毛坯件”。设计空间与后端的弧形内壁留出一段空间，从而满足行程

图1 初始钻机机架和设计空间

4.2 约束与载荷

水平钻机机架需要通过后端弧形壁和前端两侧挂耳连接液压缸，通过竖直向上的摩擦力支撑在井壁上，其载荷计算系数如表1所示。

表1 载荷计算系数表

故液压缸压力F可由式（1）计算得出：

式中，g为重力加速度，取9.8N/kg。

由式（1）计算可得，单侧液压缸的压力约为32kN，其施加载荷的方式如图2所示。

4.3 形状控制

经过拓扑优化后，机架可以满足工况需求，但是拓扑优化会明显增加机架的工艺难度，使得工艺难以完成。这样做出的零件也是没有意义的。SolidThinking Inspire软件增加了模块控制功能，通过模拟现实的工艺，使拓扑优化与实际生产联系起来[5]。而目前的设计空间明显是基于该设计空间自身的三个中心水平面对称的。故需要添加水平对称空间的三个对称面，如图3所示。油缸安装和拆卸的工艺性要求。

图2 约束与载荷加载

图3 形状控制

4.4 优化及模型重建

在SolidThinking Inspire软件的“优化”模块中设置优化参数。优化目标质量设为30%。这里优化目标质量是指优化后的质量占之前未优化的百分比。最小成型尺寸选为5mm，材料选用系统默认材料。因为所需分析的材料都是均匀分布的，质量目标必须提前确定，所以该拓扑优化便与材料的属性无关。力学性能是否合适可通过最后的有限元仿真分析环节来确定[6]。通过运行该优化，人们可以得出更加优化的材料分布情况，如图4所示，之后便可以根据如图4所示的优化结构进行再设计，使得设计不再依据以往的经验。虽然人们还是会进行三维设计，但拓扑优化分析的结果可以使设计环节更加具有理论依据。

通过该软件导出stl模型作为三位模型重建的参考，如图5所示。通过将stl格式的模型导入CAD软件中进行模型重建，人们可以得到根据优化结果重建的几何模型，如图6所示。

图5 stl格式的优化结果

图4 优化结果

图6 模型重建结果

5 结果论证

在机构重新建模再设计环节，人们可以设计出零件的模型，但是不知道该零件的力学性能是否良好，故还需要通过有限元分析软件对重新建模出来的结构进行结构静应力分析，以确保该结构具有必要的承载能力，一般要求结构产生的静应力不大于材料的许用应力和屈服应力，使得结构的变形处于弹性范围内[7]。这里选取的是ANSYS Workbench有限元分析软件。

该水平钻机机架材为Q235A，具体参数如表1所示。应力加载按照表1所示工况加载，最终可得云图如图7～图10所示。

表2 材料参数

图7 应变云图

由图7应变云图可以看出，其应变普遍比较小，都在钻机机架的可承受范围之内。

图8 安全系数云图

由图8安全系数云图可以看出，其整个机架都在最大安全系数值上，整个机架是安全可靠的。

图9 应力云图

由图9应力云图可以看出，机架所受的应力都在其可承受范围之内，没有超过屈服极限。

图10 位移云图

由图10位移云图可以看出，整个机架的位移量在可接受范围之内。

由该组云图结果可以看出，优化之后的水平钻机支架的强度、刚度等特性均符合要求，安全可靠，不会产生过大的位移量，通过拓扑优化分析使其布局良好。

6 结论

通过SolidThinking Inspire软件的优化设计，人们可以有效地实现轻量化设计，使得优化设计在满足工艺性的基础上更加有据可依、有理可依。在该优化中通过设置优化模型的参数和约束，可以实现模型优化与工艺性的统一[8-9]。SolidThinking Inspire软件将Altair公司将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，它是结构设计工程师的一个得力助手。

[1]黄文杰，翁明胜，廖洪波，等.基于SolidThinking Inspire的汽车板簧支架优化设计[J].交通工程技术，2015，（6）：27-30.

[2]尹书学.基于SAPB/TRIZ/TAGUCHI设计方法的辐射井水平钻机创新设计[D].济南：济南大学，2017：9.

[3]钟继萍，陈春梅，常亮.Solidthinking-Inspire在机械产品升级优化中的应用[J].智能制造，2016，（6）：31-33.

[4]常亮，叶飞，袁正.基于Solidthinking-Inspire的叉车转向桥桥体设计[J].CAD/CAM与制造业信息化，2013，（7）：57-59.

[5]SolidThinking7.6——实现创意的绝佳工具[J].CAD/CAM与制造业信息化，2009，（6）：34-37.

[6]魏从格.机械产品原理方案优化建模与实现[D].天津：河北工业大学，2015：11-13.

[7]唐东峰，游世辉.基于可靠性的结构动态拓扑优化方法[J].湖南大学学报（自然科学版），2017，44（10）：62-67.

[8]李佐斌，曹旭阳，王鹏，等.基于拓扑优化的桥式起重机新型主梁设计[J].机械设计与制造，2017，（10）：175-178.

[9]王书贤，向立明，刘鹏，等.基于拓扑优化的某汽车悬架控制臂轻量化设计[J].轻工科技，2017，33（10）：30-31.