Fusion 360 仿真：教程：形状优化分析

本教程演示如何对机器人夹持臂执行形状优化分析，以减小其重量和节省材料成本。夹持臂由钢制成，旨在承受抓取面上的压缩载荷。很重要的一点是，新设计符合原始设计规范，并对应用的载荷保持至少为 2.0 的安全系数。

在本教程中，您将完成以下任务：

创建形状优化分析以优化机器人夹持臂的形状，并将材料减少 40%

应用约束和载荷以保持原始设计的重要方面

定义形状优化标准并运行形状优化分析

在“设计”工作空间中根据形状优化网格对象修改原始设计

运行静态应力分析以检查新设计是否符合设计规范。

此部分中的页面

活动 1：创建新的形状优化分析

活动 2：定义建模约束

活动 3：设置形状优化标准并求解

活动 4：升级网格并修改原始几何图元

活动 5：执行静态应力分析

教程总结：形状优化分析

活动 1：创建新的形状优化分析

在本活动中，您将完成以下任务：

创建“分析 1 - 形状优化”分析

选择用于仿真的单位。

注意：仿真单位独立于在“设计”工作空间中指定的单位。

前提条件

Fusion 360 已启动。

数据文件位置：“样例”>“基本培训”>“11 - 仿真”>“GripperArm”。

步骤

从“数据面板”中的“基本培训”文件夹在 Z 轴向上的方向打开起始形状模型“GripperArm”。

如果当前未显示“数据面板”，请单击屏幕顶部的 数据面板图标“显示数据面板”。

“数据面板”的顶层（主视图）分为两个子部分：“所有项目”和“样例”。向下滚动，直到到达样例。

双击“基本培训”文件夹以打开它。

双击“11 - 仿真”文件夹以将其打开。

双击“GripperArm”模型以在画布中将其打开。

注意：该样例模型为只读模式，您必须将该模型的副本保存到个人项目中。

1确定要在其中保存起始形状模型的个人项目。

a单击“另存为”图标“文件”>“另存为”。

b在“名称”字段中输入名称，例如“GripperArm”。

c展开“位置”字段旁边的箭头按钮。

d找到并单击一个现有项目，或单击“新建项目”以创建一个新项目。

2指定或创建一个文件夹，用以保存起始形状模型。

a双击项目中的文件夹以将其选中，或创建一个新文件夹。

b要创建新文件夹，请单击“新建文件夹”。

c键入文件夹的名称，如“GripperArm”。

d按 Enter 键。

e双击文件夹使其成为当前文件保存位置。

f单击“保存”

3选择“形状优化”作为新仿真分析。

a单击工具栏左上角的“更改工作空间”下拉菜单，然后选择“仿真”。

b在“新建分析”对话框中，选择 形状优化分析“形状优化”。

c单击“创建分析”以关闭“新建分析”对话框并创建新的分析。

4将默认单位制更改为“公制(SI)”。

a在浏览器中，将光标悬停在设置图标“单位”，然后单击设置图标“编辑”。

b在“单位设置”对话框中，从“默认单位集”下拉列表中选择“公制(SI)”。

c单击“确定”接受更改并关闭此对话框。

活动 1 概要

在本活动中，您完成了以下任务：

创建“分析 1 - 形状优化”分析

选择用于仿真的单位。

活动 2：定义建模约束

在本活动中，您将定义建模约束，以确保形状优化设计符合特定设计预期。

夹持臂由具有一个或更多臂的机器人用来抓取对象。新的臂设计必须能够提升和移动相同的重量。臂由两个销固定到为，在仿真过程中需要考虑到该约束。在新设计中需要保留臂的以下两个区域：销的螺栓孔和臂的夹持面。此外，您希望使新设计在厚度方向上对称，就像原始设计一样。

在本活动中，您将完成以下任务：

使用销约束来约束模型以用于仿真目的

将载荷应用到夹持曲面，以确保设计可以处理压缩载荷

保留两个螺栓孔周围的材料，以确保销可以按预期工作。

创建在厚度方向上对称的平面，以便新设计像原始设计一样在厚度方向上对称。

前提条件

活动 1 已完成。

步骤

1在“径向”和“轴向”方向上，将“销约束”应用到每个螺栓孔的内部曲面。

a单击 结构约束图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“约束”面板 >“结构约束”）以打开“结构约束”对话框。

b将“类型”设置为 销约束图标“销”。

c分别选择两个螺栓孔的内表面作为两个目标面。

d确认已选择 销约束图标“径向”和 销约束图标“轴向”。

e单击“确定”以接受命令并关闭“结构约束”对话框。

2在夹持曲面的法线方向上应用 500 N 的力。该夹持臂由机器人用来抓取对象。生成的形状必须处理夹持曲面上的压缩载荷。

q单击 结构载荷图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“载荷”面板 >“结构载荷”）以打开“结构载荷”对话框。

b在“结构载荷”对话框中，将“类型”设置为 力图标“力”，将“方向类型”设置为 法线方向图标“法向”。

c在夹持面上单击以选择它作为目标面。

d输入 500 N 的载荷。

e确保载荷以压缩方式作用在曲面上（即指向曲面），然后单击“确定”。

3在大螺栓孔周围保留 8 毫米的材料，在小螺栓孔周围保留 5.5 毫米的材料，以便销可以按预期工作。夹持臂由两个销固定到位。

a单击 保留区域图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“形状优化”面板 >“保留区域”）以打开“保留区域”对话框。

b如果在打开模型后您更改了模型视点，请单击在 ViewCube 上方显示的 ViewCube 主视图图标“主视图” 以恢复默认的等轴测视图。

c单击大螺栓孔的内部曲面以选择它作为质心位置面。

d将半径调整为 8 毫米。

e单击“确定”以接受命令并关闭“保留区域”对话框。

f对于小螺栓孔重复步骤 a 到步骤 e，然后将直径调整为 5.5 毫米。

4创建在厚度方向上对称的平面，以便优化的形状像原始夹持臂设计一样在厚度方向上对称。

a单击 对称平面图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“形状优化”面板 >“对称平面”）以打开“对称平面”对话框。

b选择夹持臂的顶面。

c单击“确定”以接受命令并关闭“对称平面”对话框。

活动 2 概要

在本活动中，您完成了以下任务：

使用了销约束来约束模型以用于仿真目的

将载荷应用到了夹持曲面，以确保设计可以处理压缩载荷

保留了两个螺栓孔周围的材料，以确保销可以按预期工作。

创建了在厚度方向上对称的平面，以便新设计像原始设计一样在厚度方向上对称。

活动 3：设置形状优化标准并求解

在本活动中，您将定义建模约束，以确保形状优化设计符合特定设计预期。此问题的目标是生成质量大约为原始质量 40% 的最终几何图元。为了帮助准确实现此目标，您将减小网格大小。

在本活动中，您将完成以下任务：

将形状优化的“目标质量”设置为 40%，以尝试降低材料要求

将网格大小降低为 1 毫米，以提供更精确的结果

在云中对分析求解。形状优化分析只能在云中求解

查看“载荷路径中临界状态”结果来确定模型中对于承受应用的载荷非常重要的区域。

前提条件

活动 2 已完成。

步骤

1将形状优化的“目标质量”设置为 40%。

a单击 形状优化标准图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“形状优化”面板 >“形状优化标准”）以打开“形状优化标准”对话框。

b在“形状优化标准”对话框中，将“目标质量”设置为 40%。

c单击“确定”接受更改并关闭此对话框。

2将网格大小降低为 1 毫米。

a单击 设置图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“管理”面板 >“设置”）以打开“设置”对话框。

b在对话框的左侧，选择“网格”以切换到“网格”面板。

c选择“绝对大小”。

d将“绝对大小”更改为 1 毫米。

f单击“确定”接受命令并关闭对话框。

3将求解位置设置为“在云中”并运行仿真。形状优化分析仅适用于云求解。

a单击 求解图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“求解”面板 >“求解”）以打开“求解”对话框。

b将求解位置设置为“在云中”。

注意：在云中求解会消耗云积分。

c选择要求解的分析。

d单击“对 1 个分析求解”开始分析，然后关闭“求解”对话框。

e当分析完成后，单击“关闭”以关闭“作业状态”对话框。

f系统会自动打开“结果”选项卡，以便您可以查看结果。

4查看“载荷路径临界状态”的结果。

a在浏览器中，展开 形状优化设置图标“形状优化设置”。

b单击 对称平面图标“对称平面 1”旁边的 可见图标 以隐藏对称平面，以便您可以更轻松地查看结果。

c查看“载荷路径临界状态”结果。

请注意被视为不太重要的区域从优化的形状中删除的方式。

活动 3 概要

在本活动中，您完成了以下任务：

将形状优化的“目标质量”设置为 40%，以尝试降低材料要求

将网格大小降低为 1 毫米，以提供更精确的结果

在云中对分析求解。形状优化分析只能在云中求解

查看了“载荷路径中临界状态”结果来确定模型中对于承受应用的载荷非常重要的区域。

活动 4：升级网格并修改原始几何图元

在本活动中，您将使用网格对象作为模板来修改“设计”工作空间中的原始几何图元。您将完成以下任务：

将网格导出到“设计”工作空间

使用“草图”环境围绕要移除的材料创建闭合草图对象

移除闭合草图区域以仅保留所需的几何图元

运行静态应力分析以检查新的设计是否可以支持应用的载荷。

前提条件

活动 3 已完成。

步骤

1将模型导出到“设计”工作空间。

a单击 升级网格图标（“仿真”工作空间 >“结果”选项卡 >“结果工具”面板 >“升级”）以打开“升级”对话框。

b在“升级”对话框中，将“添加网格对象至:”选择更改为“模型”工作空间。

注意：您选择此选项是因为需要修改原始模型几何图元，而不是仿真模型。

c单击“确定”导出网格对象并关闭对话框。

请注意，您已自动切换到“设计”工作空间，且网格对象会在原始模型设计中叠加。

2访问“草图”环境，并通过点到点地绘制样条曲线围绕要移除的材料创建闭合草图对象。确保延伸突然结束的网格截面。

提示：您不需要太严格地遵循网格化实体轮廓。实际上，平滑由于不规则元素形状和位置导致的原始形状优化输出粗糙非常有利。您可以绘制直线和圆弧，而不是样条曲线，以使裁切看起来更像一个典型的制造零件。在本活动中，我们相当严格地遵循网格化实体，以查看原始优化形状中的应力。

a单击 创建草图图标（“设计”工作空间 >“实体”选项卡 >“创建”面板 >“创建草图）。

b选择夹持臂的顶部曲面作为草图平面，以打开“草图选项板”对话框。

请注意，“草图”选项卡将显示在功能区中，且“草图”命令现在可用。

c单击 样条曲线图标（“设计”工作空间 >“草图”选项卡 >“创建”面板 >“拟合点样条曲线”）以激活“拟合点样条曲线”命令。

d使用“拟合点样条曲线”命令，沿裁切区域单击，从而点到点绘制样条曲线。

注意：单击起点可闭合环并开始新的闭合样条曲线。

e创建所有闭合样条曲线后，单击（“设计”工作空间 >“草图”选项卡 >“完成草图”面板 >“完成草图”）退出“草图”环境。

3剪切闭合草图区域以仅保留所需的几何图元。

a单击 拉伸图标（“设计”工作空间 >“实体”选项卡 >“创建”面板 >“拉伸”）以打开“拉伸样条曲线”。

b在“拉伸”对话框中，将“操作”更改为 剪切图标“剪切”

c通过在闭合样条曲线内单击，选择所有封闭的草图区域。

d单击并向下拖动拉伸方向/距离操纵器箭头以通过整个实体的厚度。

e单击“确定”完成操作并关闭“拉伸”对话框。

注意：如果在完成“剪切”操作后还留下额外实体，请选择它们并从浏览器中将其删除。

活动 4 概要

在本活动中，您使用了网格对象作为模板来修改“设计”工作空间中的原始几何图元。您完成了以下任务

将网格导出到“设计”工作空间

使用“草图”环境围绕要移除的材料创建了闭合草图对象

移除了闭合草图区域以仅保留所需的几何图元

运行了静态应力分析以检查新的设计是否可以支持应用的载荷。

活动 5：执行静态应力分析

形状优化分析的目标是将零件的重量减少到约为原始重量的 40% 并最大程度地增加刚度。需要通过应力分析来确认修改后的零件形状的应力和位移是否可接受。请记住，生成的形状必须具有至少 2.0 的安全系数。

在本活动中，您将完成以下任务：

创建静态应力分析

运行分析

查看安全系数结果以确认修改的零件是否满足设计要求。

前提条件

活动 4 已完成。

步骤

1克隆“分析 1 - 形状优化”并将新分析更改为静态应力分析。

a单击工具栏左上角的“更改工作空间”下拉菜单，然后选择“仿真”。

请注意，“网格”和“结果”已不再是最新的，因为您更改了设计模型，而该模型是此分析的基础。

b在浏览器中，在“分析 1 - 形状优化”上单击鼠标右键，然后选择“克隆分析”。

系统会创建“分析 2 - 形状优化”，并自动将其变为激活的分析。

c单击 设置图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“管理”面板 >“设置”）以打开“设置”对话框。

d在“设置”对话框中，将“分析类型”切换为“静态应力”。

e单击“是”以确认更改并关闭该警告。

f单击“确定”以关闭“设置”对话框并创建“静态应力”分析。

2设置求解位置并在云中或在本地运行仿真。

a单击 求解图标（“仿真”工作空间 >“设置”选项卡 >“求解”面板 >“求解”）以打开“求解”对话框。

b选择要在何处求解该分析：在云中或本地。

注意：在云中求解会消耗云积分。

c确认“仿真模型 1 - 分析 2 - 静态应力”处于选定状态。

d单击“求解”开始分析，然后关闭“求解”对话框。

e当分析完成后，单击“关闭”以关闭“作业状态”对话框。

3查看结果以确认修改的零件是否满足设计要求。您的结果可能与下图略有不同，具体取决于所绘制的闭合样条曲线的形状。

a检查最小安全系数，如果其尚未显示，请单击 最小值/最大值图标（“仿真”工作空间 >“结果”选项卡 >“检验”面板 >“显示最小值/最大值”）。

b如果最小安全系数 < 2，则返回到“设计”工作空间，从浏览器中删除“拉伸”操作，然后从步骤 2 重复活动 4。

注意：确保这次不要剪切太多材料。

活动 5 概要

在本活动中，您完成了以下任务：

创建了静态应力分析

运行了分析

查看了安全系数结果以确认修改的零件是否满足设计要求。

教程总结：形状优化分析

在本教程中，您将完成以下任务：

创建了形状优化分析以优化机器人夹持臂的形状，并将材料减少 40%

应用了约束和载荷以保持原始设计的重要方面。

定义了形状优化标准并运行了形状优化分析

在“设计”工作空间中根据形状优化网格对象修改了原始设计

运行了静态应力分析以检查新设计是否符合设计规范。

形状优化分析的教程结束啦，下节将为大家带来非线性静态应力分析的教程，注意关注我们哦~