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逆向工程技術打蛋器殼體結構優(yōu)化設計

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了逆向工程技術打蛋器殼體結構優(yōu)化設計范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。

逆向工程技術打蛋器殼體結構優(yōu)化設計

【摘要】傳統(tǒng)的產品設計往往采用設計—驗證—改進等步驟,產品設計周期長成本高。文章使用手持式激光掃描儀獲取打蛋器殼體模型的點云數(shù)據(jù),采用GeomagicWrap與GeomagicDesignX軟件進行點云處理與CAD模型生成,逆向出的產品在創(chuàng)新設計之后利用Solidworks2017對其進行靜力學分析優(yōu)化產品結構。優(yōu)化之后的結構不但滿足強度要求,質量也有較大幅度的減輕,優(yōu)化效果明顯,縮短了設計周期,提高了產品設計的效率。

【關鍵詞】點云數(shù)據(jù);逆向;靜力學分析 

1引言

傳統(tǒng)的產品設計是根據(jù)用戶的需求與產品的定位提出概念構思,借助手工或軟件建模,通過試制的產品進行試驗驗證,改進設計之后進行產品的加工生產?,F(xiàn)今社會要求產品的更新周期越來越短,傳統(tǒng)設計理念已無法適應快節(jié)奏的產品更新和升級要求。逆向工程技術是相對傳統(tǒng)正向設計而言[1,2],采用三維掃描技術將實體模型生成點云數(shù)據(jù),再利用逆向設計軟件將點云進行處理,點云處理完成生成三角面片導入相應軟件生成三維模型,模型在進行創(chuàng)新設計后導入分析軟件,通過靜力學分析獲得零件適宜的模型數(shù)據(jù)。采用逆向工程技術進行產品創(chuàng)新設計可有效減少產品開發(fā)的周期與成本,在產品創(chuàng)新過程中采用Solidworks2017軟件對其進行拓撲優(yōu)化,獲得最佳的結構與最少的材料。本文以某款打蛋器為例,通過工業(yè)產品數(shù)字化設計中的數(shù)據(jù)采集、點云處理、逆向建模、創(chuàng)新設計、受力分析與優(yōu)化設計完成產品的創(chuàng)新設計,通過靜力學分析驗證模型的質量,最后再利用快速成型技術打印出成品觀察驗證。該產品設計過程可提高產品的質量和生產效率,同時降低生產成本[3]。

2打蛋器殼體的逆向建模

2.1Win3D三維掃描儀的點云數(shù)據(jù)采集

本次實驗使用海克斯康Tango-SPlus手持式激光掃描儀對打蛋器殼體進行點云數(shù)據(jù)采集。具體的掃描流程為:(1)掃描儀標定;(2)將掃描對象放置在貼好標志點的轉盤上,利用橡皮泥進行固定并掃描;(3)上表面掃描完成后再將工件翻面進行掃描。在本次實驗中,打蛋器的細節(jié)特征多,曲率變化小,整體呈白色,無需噴顯像劑;在打蛋器殼體上貼標志點時可以貼在平面或平緩過渡的曲面處,且不少于三個。

2.2GeomagicWrap點云處理

2.2.1點階段處理在采集點云時,由于掃描原理、環(huán)境因素或者工作人員經驗等原因,會使點云數(shù)據(jù)包含大量雜點。點云處理流程為全局注冊、點云著色、聯(lián)合點對象、刪除標志點、刪除非連接項、刪除體外孤點、減少噪音、曲率采樣與封裝。

2.2.2多邊形階段處理封裝后的模型是由多個三角形面片組合而成,模型表面會存在孔隙和褶皺,所以要對封裝后的面片再進行處理,三角面片處理流程為填充孔、去除特征、刪除釘狀物、松弛、網(wǎng)格醫(yī)生、減少噪音。處理完成后模型表面應光順平滑無明顯缺陷,模型也不能過于追求平滑而導致偏離原始點云數(shù)據(jù)[4]。

2.3GeomagicDesignX的逆向建模與比對

將面片數(shù)據(jù)導入GeomagicDesignX軟件中,建立一個坐標系,再通過領域對模型進行劃分,利用曲面特征或創(chuàng)建實體對模型快速建模;通過修剪指令對多余曲面模型去除,封閉曲面模型轉換成實體模型。逆向建模完成的模型需要與原點云數(shù)據(jù)進行比對分析,需要注意如果逆向出模型連接的光順度與點云數(shù)據(jù)擬合度出現(xiàn)矛盾時,首先確保模型連接的光順度[4]。模型的比對結果擬合偏差在±0.1mm之間,誤差較小。

3逆向建模產品的創(chuàng)新設計與Solidworks2017優(yōu)化分析

3.1創(chuàng)新設計

(1)產品分析。打蛋器在日常使用過程中會產生一定的扭矩,然而這款打蛋器把手位置太過光滑,不方便抓握;打蛋器開關位置的檔位鍵與攪拌棒的退出鍵設計在一起,需要用拇指單獨操作,控制困難,且開關為異形件,制造困難造價高。(2)創(chuàng)新思路。將把手設置為凹凸依次布置的形式更符合人體工學,抓握穩(wěn)定;將檔位鍵與攪拌棒的退出鍵分開布置,且選用三檔撥動式開關,零件成本更低,安全性更高。(3)結構設計。手指抓握位置的圓角尺寸較大,且抓握位置的尺寸間隙從上至下依此減小,更符合人體的手指尺寸結構;將原有開關更改為撥動式開關,防止操作人員因失誤造成的傷害,提高設備的安全性。

3.2正向建模

利用UG10.0軟件根據(jù)創(chuàng)新設計的思路在原模型上進行正向創(chuàng)新建模。

3.3Solidworks2017優(yōu)化分析

利用Solidworks軟件對創(chuàng)新設計之后的產品進行靜力學分析,具體的參數(shù)設置如表1所示。(1)新建算例。為研究外殼應變、位移、應力、及安全系數(shù)新建算例,使用常規(guī)模擬中的靜應力分析。(2)應用材料。在進行分析之前需要為模型指定材料,此次打蛋器外殼采用ABS,具體參數(shù)如表1。(3)添加夾具及其外部載荷。本產品在使用過程中由操作者手持使用,所以打蛋器把手受手掌抓握力和攪拌棒高速旋轉產生的扭矩,而成年人的右手平均握力在500N左右,但對產品本身不需要過大的握力,取最大握力1/10約50N,并以攪拌雞蛋為例,測得扭矩在10Nm-20Nm之間[5]。(4)網(wǎng)格劃分。為進行靜力學分析,對外殼進行網(wǎng)格劃分,調整網(wǎng)格參數(shù),共設置節(jié)點總數(shù)69049個,單元總數(shù)34859個。(5)靜力學分析結果。通過SolidWorksSimulation靜力學分析結果展示了打蛋器外殼受力后的應力值、應變值和位移量。打蛋器的最大應力和應變主要集中在把手位置,最大應力為114.8MPa、最大應變?yōu)?.9%、最大位移量在1.02mm。打蛋器外殼材料為ABS,其拉伸強度為450MPa,拉伸斷裂伸長率為38%??梢钥闯?,打蛋器外殼整體所受的應力值和應變,均沒有超出材料的許用應力和許用應變值,均在材料的許可范圍內,能夠滿足打蛋器的日常應用,完全達到了設計時,對產品外觀及尺寸的預期值[6]。(6)設計算例優(yōu)化分析。依據(jù)simulation已經得到了合理的設計方案,但在工程設計中,需要通過進行多方案對比分析得到產品的最優(yōu)方案。通過設計算例,可以設置定量和變量,一次性完成多個方案的直接對比,以最低的成本獲得最好的效益,提高設計效率[7]。此次設計殼體零件,目的是在確保滿足力學性能要求的前提下,盡可能減少使用的材料,故將壁厚設為變量,依據(jù)設計經驗,壁厚不應小于1mm以保證產品可以承受本身重量,同時不應高于2.5mm以防止注塑過程產生過度收縮,步長0.1mm,握力在50N,扭矩為10Nm的情況下觀察在11種方案下模型的質量、應力、位移情況,確保在應力與位移條件符合的情況下,質量最小。結果如表2所示。由表2可得在打蛋器殼體壁厚在1.4mm的情況下,產品質量為96.75g,承受的應力為103.26MPa,小于114.8MPa,此時力矩作用下位移為0.94mm,小于1.02mm,符合產品設計要求。為了設備使用的安全性,設計安全系數(shù)為1.2,故當壁厚為1.7mm時,打蛋器殼體即可滿足使用要求,且比壁厚為2mm時質量減少18.05g,材料成本降低約14.26%。

4結語

通過對已有產品的掃描逆向出該產品的三維模型,通過對創(chuàng)新設計之后的產品進行拓撲優(yōu)化,最終得到了打蛋器殼體的一種比較合理的材料分布狀態(tài),在保證產品力學性能同時,打蛋器殼體的重量從126.62g下降到了108.57g,減重比例達到了14.26%,降低了生產成本,提高了設計效率。

參考文獻

[1]林晟杰,楊雪榮,成思源,等.基于逆向工程技術的產品創(chuàng)新設計[J].裝備制造技術,2014(9):36-38.

[2]彭廣威.基于逆向工程的汽車前圍板曲面重構[J].機械工程師,2015(4):110-112.

[3]成思源,張中寶,楊雪榮,等.面向產品創(chuàng)新設計的逆向工程技術實驗教學[J].實驗室研究與探索,2019(4):161-168.

[4]劉利,劉江麗.逆向工程實踐課程的研究和探索[J].產業(yè)與科技論壇,2019(17):154-155.

[5]黃攀,汪泉,周紅軍,等.基于逆向工程的曲面建模與創(chuàng)新設計[J].產業(yè)與科技論壇,2019(17):154-155.

[6]高文杰,翁明盛,廖洪波,等.基于solidThinkinginspire汽車板簧支架優(yōu)化設計[J].上海汽車,2015(3):57-60.

[7]張濤.基于solidThinkinginspire的控制臂優(yōu)化設計[J].測試與試驗,2018(23):241-244.

作者:姜 單位:濰坊職業(yè)學院機電工程學院

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