Isight&Abaqus仿真优化实例：Mechanical Design Optimization for Robot Legs with Abaqus and Isight

【参考教程】

Abaqus Isight - Optimization of a Pump Support https://www.youtube.com/watch?v=xCmVjNXlczM

【YouTube转载】Isight参数优化（士盟科技出品）（中文讲解） https://www.bilibili.com/video/av18312751/

一、项目背景

本项目为“ME327机械优化设计方法”课程项目。

如何合理利用更轻更强的材料，是机器人结构设计值得深究的问题。在驱动的功率一定的情况下，更轻的机械结构意味着电机承受更小的负载，更强的机械性能意味着机器人可以拥有更大的体格。本项目意在探究使用碳纤维材料的机器人腿部结构设计与优化方法，并结合Abaqus和Isight软件，通过计算和仿真来得到初步的设计方案。

如下图所示的六足蜘蛛机器人Mat6有6条腿，每条腿有两个关节。现在计划将每条小腿（即最后一个link）改用碳纤维材料以减轻机器人的重量。

二、问题描述

假设小腿的轴线是一条样条曲线，小腿模型由一个圆沿着该曲线扫掠获得。输入参数是样条曲线点的位置和扫掠圆的半径。在模型上铺设碳纤维复合材料，并设定约束，进行仿真，计算在受力下该模型的形变量，并计算该模型的体积。优化这两个目标，找到最好的小腿模型设计方案。

三、用Abaqus完成复合材料的仿真分析

参考：Abaqus tutorials for beginners - Hollow Composite pipe Analysis， URL: https://www.youtube.com/watch?v=xnEi6kBMGCU

1. 打开Abaqus2017

选择：部件-创建部件-三维-可变形-壳-扫掠，进入草图截面，绘制小腿轴线。这里我取了5个点，绘制一条样条曲线，并标注了尺寸。注意，本Abaqus工程采用SI单位制。

2. 绘制扫掠圆，设半径为0.03m。扫掠完成建模。

3. 进入属性，创建材料。

命名为：Unidirectional Carbon Fiber，选择密度，设置为1760（kg/m3），设置弹性材料行为，类型：工程参数。填入下表所示数据。单位：SI

碳纤维材料的参数来源：Liu T J C, Wu H C. Fiber direction and stacking sequence design for bicycle frame made of carbon/epoxy composite laminate[J]. Materials & Design, 2010, 31(4): 1971-1980.

4. 创建铺层

点击创建复合层，建立沿着曲面内部为法线方向、沿着曲面母线为主轴方向的坐标系。

选择区域、材料，设置厚度与材料朝向。如下图所示：

在Ply Stack Plot视图中检查，效果如下：

5. 进入装配，选择创建实例从部件-实例类型独立

6. 创建分析步，命名为fix

7. 创建载荷和边界条件

假设腿部与地面的摩擦力足够大而不会产生滑移，所以为固定约束。腿的另一侧承受身体的1/6重量，约35N。如下图所示：

8. 创建网格

9. 开始仿真分析

点击作业，创建一个作业，并在作业管理器中提交运行，运行结果如下图

从图中可以看到最大的变形量，我以这个指标作为刚度的优化指标。

10. 获得体积输出

选择分析步-场输出请求管理器-创建-体积（SVOL）

至此，Abaqus的仿真结束。仿真文件为legdesign1217.cae，输出结果文件为output-leg.odb

四、用Isight对腿部曲线的参数进行优化

1. Isight简介

传统的设计通常是采用试算法,即在设计时根据要求,参考一些同类产品设计的成功经验,凭借一定的理论判断来选定设计参数, 然后进行校核计算,检验其是否符合要求,不满意则调整设计参数再校核,如此反复多次直到满足设计要求为止。传统的算法已经不能满足高效、优质的设计生产任务要求,需要一种新的方法来适应现代化的高速发展。ISIGHT通过一种搭积木的方式快速集成和耦合各种仿真软件，将所有设计流程组织到一个统一、有机和逻辑的框架中，自动运行仿真软件，并自动重启设计流程，从而消除了传统设计流程中的"瓶颈"，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。所以ISIGHT是一个“软件机器人”，可以在不用人工干预的情况下不断的调用相应的工程计算软件进行计算。在进行数值分析的时候，可以通过修改模拟计算模块的输入文件来完成模型的修改。

2. 利用Isight结合Abaqus的仿真结果进行结构优化设计