基于逆向工程與拓撲優化的騎行座鞍輕量化設計

摘要：騎行座鞍是自行車/山地車的重要組成部分，座鞍輕量化對騎行競速運動有重要增幅作用.本文基于逆向工程技術與拓撲優化方法對騎行座鞍展開輕量化設計.首先，通過逆向工程技術構建騎行座鞍的三維模型，保留并延續其人體工程學曲線.其次，結合Inspire平臺對騎行座鞍進行拓撲優化并重構其輕量化骨架，在輕量化骨架上設計2種緩沖面方案以增加座鞍舒適性.然后，經過力學仿真結果對比，選用交錯式緩沖面方案為優選方案，該方案符合力學載荷要求.最后，通過SLA增材制造技術對該方案進行3D打印驗證.結果表明，輕量化后的騎行座鞍方案質量減輕68.7%，達到輕量化設計目標.

關鍵詞：騎行座鞍；逆向工程；拓撲優化；輕量化設計

中圖分類號：TH122；U484"" 文獻標志碼：A

Lightweight Design of Cycling Saddle Based onReverse Engineering and Topology Optimization

GUO Lin-wei

（School of Intelligent Manufacturing， Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou 363000， Fujian， China）

Abstract：Riding saddles are an important part of bicycles/mountain bikes， and the lightweight of riding saddles plays an important role in increasing cycling and racing sports. For a lightweight riding saddle， the lightweight design of the riding saddle is carried out based on the reverse design and inspire topology optimization method. Firstly， the 3D modeling of a riding saddle is completed through reverse engineering technology， and its mainstream ergonomic curves are retained. Secondly， based on Inspire software， topology optimization is performed on the saddle， and then the lightweight skeleton is reconstructed. 2 kinds of cushioning surface schemes are designed on the lightweight skeleton to increase the comfort of the saddle. Thirdly， after comparing the mechanical simulation results， the staggered buffer surface scheme is the preferred scheme， which meets the mechanical load requirements. Finally， the scheme is verified by 3D printing through SLA additive manufacturing technology. The result shows that the weight of the lightweight riding saddle scheme is reduced by 68.7%， reaching the lightweight design goal.

Key words：cycling saddle; reverse engineering; topology optimization; lightweight design

輕量化技術在多個領域的優勢已逐漸凸顯，除了汽車、航空航天領域以外，在競速騎行運動中，騎行裝備的輕量化亦是現代騎行運動市場的的趨勢.在騎行爬坡脫困、競速沖刺方面，騎行設備質量越輕，優勢越明顯.輕量化技術對于節能減排，滿足碳達峰目標與碳中和愿景具有重要意義.選用更輕的材料、改善制造工藝和結構優化3個方面［1-4］ 來減輕產品質量.國內外學者對輕量化設計做了多方面研究，曾孟軍等［5］在研究汽車零部件輕量化設計基本途經中，從輕質材料選用方面進行了研究.賈峰等［6］通過加強筋排布優化展開對電池包箱體結構優化，從改善制造工藝方面研究輕量化成效.譚磊等［7］通過對電鏟斗桿進行多目標優化，以主要尺寸優化來完成輕量化改進.近幾年輕量化研究面臨的挑戰在于如何減輕部件重量的同時又能保證部件的剛度和安全.除了關注減重以外，結構科學、部件承受的壓力、設備穩定性也是必須考慮的重要因素.盛卓航等［8］通過有限元對輕量化后防側滾裝置成果進行了剛度力學驗證，以保證可靠性.孫雪梅等［9］通過CAE對汽車零部件拓撲優化結果進行了仿真校核.

輕量化技術對于騎行競速行業同樣有著非常重要的意義，騎行領域普遍在尋求設備輕量化的全新開發方式，但大多集中在材料輕質的選用上，還沒有通過逆向工程與拓撲優化途經來進行騎行座鞍的輕量化設計.綜合以上分析，基于逆向工程技術與拓撲優化方法設計一款輕量化騎行座鞍，首先，以某騎行座鞍實物為對象，通過逆向工程技術3D掃描、Geomagic Wrap點云處理、Geomagic Design x逆向建模構建其三維模型；其次，運用Inspire平臺對騎行座鞍三維模型進行拓撲優化并重構其輕量化骨架，為滿足舒適性要求，在輕量化骨架基礎上設計單緩沖面（方案1）和交錯式雙緩沖面（方案2）兩種緩沖面方案；再次，通過力學仿真結果對比，選擇方案2作為優選方案，實現騎行座鞍輕量化的同時也兼顧產品的安全性和可靠性；最后，通過SLA增材制造技術將該方案進行3D打印驗證.產品設計流程如圖1所示.

1 逆向設計

1.1 3D掃描及點云處理

在某一體式騎行座鞍上噴顯像劑，黏貼標志點放置于掃描轉盤合理位置，通過3D掃描儀對該騎行座鞍進行掃描，獲得騎行座鞍點云數據，還原該騎行座鞍以舒適性著稱的人體工程學曲線，以其作為設計過程的起點和靈魂.將多視角掃描點云數據通過公共點拼接策略完成騎行座鞍的完整數據，完整模型點云數據如圖2所示.

為排除設備振動及周圍背景光線等偶然因素

干擾，掃描完成的點云數據通過Geomagic Wrap軟件進行點階段及多邊形階段的數據處理.對掃描過程中出現的孤立且游離在模型以外的點進行過濾剔除，優化表面光順性，控制噪聲點在允許范圍內.

1.2 逆向建模

點云處理完成后進入Geomagic Design軟件進行逆向建模，建模思路為：以中間對稱平面一分為二，以優先完成一半模型曲面再鏡像完整模型思路進行逆向建模.具體逆向建模流程如圖3所示.

首先，對模型進行坐標對齊，中間對稱平面創建草繪面，繪制若干等間距草繪曲線，通過曲面拉伸將其拉伸成若干等間距曲面.其次，對這些曲面分別進行面片草圖繪制，繪出騎行座鞍若干剖面的草繪曲線作為放樣草繪鏈，然后進行曲面放樣，得到騎行座鞍基本曲面.結合實際輪廓，通過曲面剪切進行多余部分修剪，完成一半曲面創建.最后，通過鏡像功能將另外一半曲面鏡像出來，還原完整的騎行座鞍曲面，運用賦厚功能將其轉化成實體，完成騎行座鞍的三維模型逆向建模，結果如圖4所示.

2.2 材料及屬性

Marco Pelanconi等學者將碳纖維與光敏樹脂融合并通過SLA光固化成型，用于改善彎曲載荷件的剛性和致密度［11］.騎行座鞍選用材料以碳纖維作為增強相的光固化樹脂材料，碳纖維比強度大、比模量高，可有效增強光固化樹脂基材料，高于普通光敏樹脂制成的產品數倍［12］.參數如表1所列.

2.3 定義設計空間及形狀控制

拓撲優化前需要指定設計空間，拓撲優化結果會導致設計空間發生變化，與之對比，非設計空間不會發生變化.騎行座鞍模型由座鞍主體和底部安裝件兩部分組成，其中騎行座鞍主體指定為設計空間，即待優化區域，以該部分作為即將輕量化的激活區；底部安裝件指定為非設計空間.對設計空間選擇Symmetric對稱與Split Draw雙向拔模方式進行優化，如圖5所示.

2.4 工況分析

根據騎行座鞍負載情況，選擇并設置所需的邊界條件進行靜力學分析，約束騎行座鞍底部安裝件的6個空間自由度，即X、Y、Z三直角坐標系內的3個移動自由度和3個水平自由度.對騎行座鞍模型在人體坐姿與座鞍接觸面上施加均布載荷.模擬質量為150 kg人體以正常坐姿給予垂直方向加載.拓撲優化前經靜力學仿真分析，原模型仍有較大輕量化空間.

2.5 拓撲優化及幾何重構

運用Inspire輕量化平臺設置，以拓撲結構為優化類型，以Optistruct作為求解器，采用變密度法SIMP進行優化.設置參數中的質量目標為騎行座鞍模型總體積的30%，兼顧優化目標模型特征平滑性，得到拓撲優化結果如圖6所示.

根據圖6可發現該模型外觀尚不規整，結合實際工業要求，采用PolyNURBS包覆處理對優化結果進行幾何重構并做一定程度銳化（如圖7所示）.在拓撲優化模型重構過程中，融入競速ID設計，在座鞍前端設計沖刺競速的形態結構.運用布爾運算工具對優化重構結果進行合并，將設計空間（輕量化優化區）與非設計空間進行幾何合并，形成完整單一的實體模型.在局部區域進行過渡區域的銜接處理，減少結構應力（為后續力學性能分析做改善鋪墊），完成較為美觀的騎行座鞍輕量化骨架，結果如圖8所示.

3 正向設計

在增材制造拓撲優化過程中，因中間密度值的存在，基于變密度法的拓撲優化結果仍需要進一步進行后拓撲結構設計［13］.在拓撲優化結果基礎上展開正向設計，滿足可靠性、舒適性和美觀性的需求.

為進一步滿足座椅的舒適性，對騎行座鞍輕量化骨架進行正向設計（后拓撲結構設計），在輕量化骨架基礎上設計緩沖面，以增加人體坐姿舒適性.設計方案如下：

方案一，通過CREO軟件在輕量化骨架上繪制緩沖曲線1、緩沖曲線2（如圖9（a）所示），結合邊界混合功能設計成（單）緩沖面，緩沖面呈微拱形態.此外，緩沖面與底部輕量化骨架預留3-5 mm微距離，允許受載狀態下緩沖最大變形，緩沖面下有輕量化骨架托底，起到安全保護作用.緩沖面上開呼吸孔減少實體化后剛性.方案一模型如圖9（b）所示.

方案二，在輕量化骨架上繪制緩沖曲線1、2與緩沖曲線3、4交錯（如圖10（a）所示），結合邊界混合功能設計成交錯式（雙）緩沖面，緩沖面呈微拱形態.其余設計思路與方案一相同.

充分考慮休閑坐姿及競速坐姿，起到自適應緩沖作用.方案二模型如圖10b所示.

4 力學仿真校核

對騎行座鞍方案展開靜力學分析.分析結果如下：

（1）方案一中最大變形區域為（單）緩沖面工作中間區域，Y方向最大位移2.387 mm（如圖11（a）），變形較小，在合理范圍內.最大米塞斯等效應力為78.82 MPa（如圖11（b）），集中在骨架過渡連接位置，處于普通韌性SLA光敏樹脂（76-85 MPa）臨界極限但仍小于碳纖維增強相光敏樹脂材料的應力極限（145 MPa）；

（2）方案二中最大變形量為（雙）緩沖面工作中間區域，Y方向最大位移1.35 mm（如圖12（a）），變形較小.最大米塞斯等效應力為27.95 MPa（如圖12（b）），集中在骨架過渡連接位置，低于普通韌性光敏樹脂76-85 MPa極限，遠低于碳纖維增強相光敏樹脂材料應力極限（145 MPa）.

分析方案一和方案二可以看出，

方案二變形量與最大米塞斯應力分析結果都在合理范圍內，具有良好的延展性與強度，符合力學性能要求.分析結果表明交錯式雙緩沖面設計具有更好的自適應緩沖協同作用.因此，選用方案二作為騎行座鞍輕量化設計優選方案.

5 3D打印驗證

將上述最終方案通過Materialise Magics切片軟件進行平臺擺放、模型曲面優化和切片支撐設置（如圖13），導入SLA工業級光固化增材制造設備進行3D打印，經打印后處理及二次固化，成品完好、無破面，完成3D打印驗證，結果如圖14所示.

6 結論

根據力學仿真校核及3D打印驗證結果，以方案二作為騎行座鞍輕量化設計優選方案，可得出以下結論：

（1）垂直方向受載工況下交錯式緩沖面能夠協同變形，起到自適應緩沖功能，具有更好的承載作用;

（2）輕量化設計前的產品質量為0.16221 kg（如圖15（a）），輕量化設計后產品（優選方案二）質量為0.050807 kg（如圖15（b）），質量減輕0.111403 kg，比輕量化設計前減輕了68.7%.（如表2）.

（3） 對輕量化騎行座鞍進行靜力學分析，發現緩沖面位移最大，最大位移為1.35 mm，在合理范圍內，最大應力為27.95 MPa，在材料抗拉強度極限內，騎行座鞍輕量化設計結果符合力學要求，驗證了本研究輕量化設計的合理性.

（4） 本設計結合增材制造技術完成一體成型，在合理選擇材料下，將輕量化技術優勢充分體現，節約耗材成本，符合當前國家節能減排及“碳中和”主旋律.以光敏樹脂200元/kg合計，單件成本可節約22.2元/件，量產批量化后節約總成本更為可觀.將該輕量化設計思路應用到特種復合材料等昂貴耗材領域，節約能耗、降低成本優勢更為顯著.

（5）該研究在對騎行座鞍進行輕量化設計及力學仿真分析中，僅考慮人體常用休閑垂直坐姿下垂方向受力，實際工況下不排除其他小概率坐姿產生的方向載荷，在今后的工作中應該將這些影響納入考慮.

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［責任編輯：李 嵐］