基于Workbench的糖果包装机轴上摆臂拓扑优化设计

糖果包装机轴上摆臂作为包装机中重要的支撑、传动部件，其结构的拓扑优化设计对包装机的高效运行有着重要的意义。本文先利用SolidWorks对摆臂进行三维建模，再将模型导入Workbench中进行有限元分析及拓扑优化，再根据拓扑优化结果重构摆臂模型，并在相同模型材料及工况的条件下对重构模型再次进行有限元分析，再对模型重构前后有限元分析结果进行对比，得出在符合使用要求的前提下，摆臂模型减重比达到39.72%的效果，有效实现了轻量化设计的目的。

随着现代工业的发展，包装行业在生产效率和产品质量方面面临着越来越高的要求。糖果包装机作为各类包装流水线中的重要组成之一， 其包装机构的性能和效率直接影响到整个包装过程的顺利进行[1]。

在其包装机构中，轴上摆臂是一种重要的部件，它承担着支撑、传动和定位等多重功能，因此其结构设计对于糖果包装机的性能具有重要的影响[2]。传统的轴上摆臂结构设计主要基于经验和直觉，缺乏针对性的优化[3]。然而，随着计算机辅助设计和仿真技术的快速发展，结构优化方法在机械领域中得到了广泛应用[4]。结构优化的目标是通过调整材料分布或几何形状，使得结构在给定的约束条件下达到最佳的性能。通过拓扑优化设计，可以实现轴上摆臂的轻量化、刚度提升和疲劳寿命延长等多重目标[5]。

2. 有限元模型建立 2.1. 建模 根据糖果包装机轴上摆臂的结构数据，在SolidWorks 三维建模软件中对摆臂进行三维建模。在建模过程中，除了保留摆臂本来的机械性能与结构特征，将摆臂与螺栓连接的螺纹孔简化成直通孔，以便于进行后续的有限元分析，完成摆臂简化模型的建立后，再将STEP 格式的模型文件导入Workbench 中。

摆臂的实体模型如图1 所示。

Figure 1. Finite element model of Swing arm 图1. 摆臂有限元模型