面向3D打印先進設計在振動臺動圈骨架優化設計中的應用(2)
從參數敏感性分析中我們可以獲得對響應（骨架質量和豎向一階共振頻率）影響較大的參數，而過濾掉那些對響應影響很小的參數，從而實現參數空間降維，為后續優化分析的精度和效率提供保障。在振動臺動圈骨架的優化分析中，我們采用多目標優化策略，即響應面結合遺傳算法的多目標優化，其中優化目標為骨架質量最小以及豎向一階共振頻率最大。多目標優化的結果如圖5所示。具體的多目標優化結果如下：優化質量為4.47kg（小于原始結構的4.69kg）；豎向一階共振頻率為3059Hz（大于原始結構的2798Hz）。我們在多目標優化結果的基礎上對尺寸進行了微調，并取消了腹板開孔，其最終的質量為4.53kg，最終的豎向一階共振頻率為3158Hz。最終的設計模型如圖6所示。
圖5 參數優化：多目標優化結果
圖6 振動臺動圈骨架結構的最終設計模型
振動臺動圈結構設計驗證
下面我們對振動臺動圈的性能指標進行評估，并與原始結構的性能指標進行對比。
a. 振動臺動圈骨架的質量
原設計的質量為4.69kg，優化設計的質量為4.53kg，降低0.16kg。
b. 振動臺動圈的豎向一階共振頻率
原設計的豎向一階共振頻率為2798Hz，優化設計的豎向一階共振頻率為3158Hz，頻率提升了360Hz。其結果如圖7所示。
圖7 豎向一階共振頻率對比
c. 振動臺動圈的Q值
相比于原設計，優化設計的豎向共振振幅Q值降低，帶寬增加，性能提升，其結果如圖8所示。
圖8 振動臺動圈結構的豎向共振振幅Q值對比
d. 振動臺動圈的橫向位移振幅
振動臺動圈的橫向位移振幅結果如圖9所示，從圖中可以看到，優化設計的橫向位移振幅小于原設計的橫向位移振幅，性能提升。
圖9 振動臺動圈結構的橫向位移振幅對比
e. 振動臺臺面共振振幅
振動臺臺面共振振幅的結果如圖10所示，從圖中可以看到，優化設計的臺面豎向共振位移振幅小于原設計的臺面豎向共振位移振幅，表明振動臺的均勻度性能提升。
圖10 振動臺臺面的豎向共振振幅對比
f. 共振等效應力水平
振動臺動圈結構的共振等效應力水平的結果如圖11所示，從圖中可以看到，優化設計的共振等效應力水平低于原設計的共振等效應力水平，表明振動臺動圈結構結構在振動時更安全。
圖11 振動臺動圈結構的共振等效應力水平對比
從上述振動臺動圈結構的各個主要性能指標的對比結果來看，動圈骨架結構的最終優化設計全面優于原設計。
結論
本文首先簡要闡述了面向3D打印-增材制造的先進設計的理念和實現手段，并將其應用于某型號振動臺動圈骨架的結構設計。基于先進設計理念及其基本流程而獲得的某型號振動臺動圈骨架結構的優化設計，在其質量不高于原設計質量的情況下，其所有主要性能指標全面優于原設計的相應性能指標，這表明面向3D打印-增材制造的先進設計理念及其相應的設計流程和實現手段是可行的，有效的，其全面應用于與3D打印-增材制造有關的產品設計將會在未來的設計和制造中起到越來越重要的作用。
任志勇
加拿大Université de Sherbrooke機械工程博士， CAE領域10余年研究與應用經驗。專長于應力分析、復合材料力學分析、有限元分析、結構優化。現為安世中德咨詢有限公司咨詢專家，專業從事基于有限元技術的工程仿真咨詢、3D打印-增材制造先進設計服務。
文章來源：安世亞太
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