面向3D打印先进设计在振动台动圈骨架优化设计中的应用(2)
从参数敏感性分析中我们可以获得对响应（骨架质量和竖向一阶共振频率）影响较大的参数，而过滤掉那些对响应影响很小的参数，从而实现参数空间降维，为后续优化分析的精度和效率提供保障。在振动台动圈骨架的优化分析中，我们采用多目标优化策略，即响应面结合遗传算法的多目标优化，其中优化目标为骨架质量最小以及竖向一阶共振频率最大。多目标优化的结果如图5所示。具体的多目标优化结果如下：优化质量为4.47kg（小于原始结构的4.69kg）；竖向一阶共振频率为3059Hz（大于原始结构的2798Hz）。我们在多目标优化结果的基础上对尺寸进行了微调，并取消了腹板开孔，其最终的质量为4.53kg，最终的竖向一阶共振频率为3158Hz。最终的设计模型如图6所示。
图5 参数优化：多目标优化结果
图6 振动台动圈骨架结构的最终设计模型
振动台动圈结构设计验证
下面我们对振动台动圈的性能指标进行评估，并与原始结构的性能指标进行对比。
a. 振动台动圈骨架的质量
原设计的质量为4.69kg，优化设计的质量为4.53kg，降低0.16kg。
b. 振动台动圈的竖向一阶共振频率
原设计的竖向一阶共振频率为2798Hz，优化设计的竖向一阶共振频率为3158Hz，频率提升了360Hz。其结果如图7所示。
图7 竖向一阶共振频率对比
c. 振动台动圈的Q值
相比于原设计，优化设计的竖向共振振幅Q值降低，带宽增加，性能提升，其结果如图8所示。
图8 振动台动圈结构的竖向共振振幅Q值对比
d. 振动台动圈的横向位移振幅
振动台动圈的横向位移振幅结果如图9所示，从图中可以看到，优化设计的横向位移振幅小于原设计的横向位移振幅，性能提升。
图9 振动台动圈结构的横向位移振幅对比
e. 振动台台面共振振幅
振动台台面共振振幅的结果如图10所示，从图中可以看到，优化设计的台面竖向共振位移振幅小于原设计的台面竖向共振位移振幅，表明振动台的均匀度性能提升。
图10 振动台台面的竖向共振振幅对比
f. 共振等效应力水平
振动台动圈结构的共振等效应力水平的结果如图11所示，从图中可以看到，优化设计的共振等效应力水平低于原设计的共振等效应力水平，表明振动台动圈结构结构在振动时更安全。
图11 振动台动圈结构的共振等效应力水平对比
从上述振动台动圈结构的各个主要性能指标的对比结果来看，动圈骨架结构的最终优化设计全面优于原设计。
结论
本文首先简要阐述了面向3D打印-增材制造的先进设计的理念和实现手段，并将其应用于某型号振动台动圈骨架的结构设计。基于先进设计理念及其基本流程而获得的某型号振动台动圈骨架结构的优化设计，在其质量不高于原设计质量的情况下，其所有主要性能指标全面优于原设计的相应性能指标，这表明面向3D打印-增材制造的先进设计理念及其相应的设计流程和实现手段是可行的，有效的，其全面应用于与3D打印-增材制造有关的产品设计将会在未来的设计和制造中起到越来越重要的作用。
任志勇
加拿大Université de Sherbrooke机械工程博士， CAE领域10余年研究与应用经验。专长于应力分析、复合材料力学分析、有限元分析、结构优化。现为安世中德咨询有限公司咨询专家，专业从事基于有限元技术的工程仿真咨询、3D打印-增材制造先进设计服务。
文章来源：安世亚太
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