在有限元分析模型的基础上，设置计算工况，运用OptiStruct 模块进行静力分析。分析结果如图8所示，左侧为变形云图，右侧为应力云图。可以看出皮带轮最大变形为0.23mm，应力最大值为66 MPa。

图8 尼龙材料皮带轮静力分析结果

4.2 拓扑优化分析模型

定义设计变量：同样选择转动工况为拓扑优化工况，在已有的有限元模型基础上将皮带轮的轮辐设定为可设计区域。如图9所示，其中，绿色为设计区，紫色为非设计区。即绿色区域为设计变量。

图9 尼龙材料皮带轮拓扑优化模型

定义响应：1) 定义设计变量区域的总体积(Volume)为响应Vol；2) 在轮毂外创建一个节点，用RBE2连接至中心点，将这一节点的位移(Static Displacement)定义为响应Disp。
定义约束条件和目标函数：目标是材料的最优分布，故目标函数为响应Vol的最小化；约束条件为响应Disp的上限为3.0mm(原始Disp值大小为1.6mm)。

4.3 拓扑优化分析结果

借助 OptiStruct 模块，对拓扑优化有限元分析模型进行数值仿真，经过多步迭代后得出最优模型，在HyperVeiw 中查看计算结果，图10 为拓扑优化结果后的密度分布云图。其中，图中红色区域(Densty=1)表示材料必须保留，蓝色区域(Densty=0)表示材料可以去除。图11是不同阈值时的材料分布图。

基于上述优化方案，运用HyperMesh 软件的OSSmooth 功能为形貌优化结果创建IGES曲面，经过重新构建得到新的皮带轮模型，如图8所示。

图10 皮带轮拓扑优化结果密度分布云图

图11 尼龙材料皮带轮不同阈值时材料分布图

图12 尼龙皮带轮优化后的IGES 曲面

4.4 优化结构分析

对优化后的结构重新进行网格划分；创建有限元分析模型，设置与原始结构相同的计算工况进行静力分析。图13为其静力分析结果，左侧为变形云图，右侧为应力云图，最大变形为0.26mm，在预期范围之内。体积与原始方案相比减少了10%，该方案已经在进行实验。

图13 尼龙材料皮带轮静力分析结果

5 总结

本文以减少材料总量为目标，对皮带轮结构进行了拓扑优化，找到了最优的材料分布形式。最后得到结构优化的皮带轮，经过分析在变形量以及模态等方面性能上达标，而且实现了材料的节省。表1针对优化前后皮带轮的最大变形以及材料节省量进行了比较，可看出优化后最大变形量变化不大，方案一材料节省6%，方案二材料节省10%。目前，4辐铸铝皮带轮已经量产使用，尼龙皮带轮正在推进中。

表1 皮带轮优化结果

通过拓扑优化功能，可以有效的快速寻找最佳材料分布方式，替代设计者无数次的尝试，缩短开发周期。本文应用HyerWorks 软件OpitStruct模块对洗衣机皮带轮轻量化设计进行拓扑优化，在确保性能的前提下达到结构减重的目标，该方法可以为类似零部件的优化设计提供参考。

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Washing machine belt pulley structure topology optimization based on OptiStruct
Li Xishun, Cheng Fuping, Sun Yunhui

Abstract: This paper focuses on washing machine belt pulley lightweight design problems. The belt pulley structure optimized by using the OptiStruct. This article discusses two schemes of topology optimization, one is based on aluminum material for pulley design of topology optimization, getting structure volume reduction of 6%. The other is based on the model of replaced material, the volume reduced 10% as result.
Key words: optimization, OptiStruct, washing machine, belt pulley