登山保护装备轻量化设计：基于拓扑优化的弹簧凸轮装置优化与测试

推荐：针对登山保护装备重量与承载力的矛盾问题，研究人员通过拓扑优化(TO)技术对弹簧凸轮装置(SLCD)进行轻量化设计，采用多载荷工况与多阶段优化策略，结合增材制造技术制备原型，最终实现减重23.17%且承载力超越EN 12276标准要求(>5000N)，为运动装备结构优化提供新范式。

　　

登山作为高风险极限运动，保护装备的重量与安全性始终存在矛盾。传统弹簧凸轮装置(SLCD)虽能有效防止坠落，但厚重的金属凸轮(cam)结构增加了登山者负重。现有专利技术虽通过分体式凸轮扩大工作范围，却未解决核心的重量问题。更棘手的是，欧洲标准EN 12276要求装备必须承受≥5000N的载荷，而铝合金属性又限制了进一步减重的空间。

针对这一工程难题，来自布尔诺理工大学等机构的研究团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表创新研究。他们采用多阶段拓扑优化(TO)技术重构凸轮结构，通过有限元分析(FEA)模拟多载荷工况，结合增材制造(SLM)快速成型，最终开发出比传统设计轻23%且承载力达标的新型凸轮。

研究团队运用三项关键技术：1) 基于SIMPs(固体各向同性材料惩罚)模型的多阶段拓扑优化，采用1.0/0.75/0.5mm三级网格逐步细化；2) 阿尔法形状(Alpha Shape)算法与陶宾(Taubin)平滑处理实现几何重构；3) 采用AlSi10Mg铝合金粉末的选区激光熔化(SLM)工艺制造原型。实验采用符合EN 12276标准的双钢板夹具，测试78.75mm和100.25mm两种裂缝宽度下的承载力。

有效拓扑优化
通过创新性地将接触非线性问题转化为线性模型，采用三阶段优化策略使计算时间减少78%。优化后凸轮在体积分数v_frac=0.28时，刚度比原始设计提升17%。

后处理与平滑
采用阈值x_lim=0.1过滤低密度单元后，陶宾平滑算法(p_λ=0.5, p_μ=-0.53)使体积仅增加1.2%，有效消除应力集中点。

增材制造与原型测试
SLM成型的凸轮虽存在0.85mm初始变形，但四组原型测试显示承载力均超标准(6160-8628N)。失效模式分析表明，所有凸轮均在最大载荷处发生屈曲。

讨论与意义
该研究首次实现SLCD凸轮的体积拓扑优化，相比平面优化方案减重效果提升8个百分点。虽然增材制造导致的初始变形影响性能一致性，但通过热处理工艺优化可进一步改善。这项技术已申请捷克实用新型专利CZ37542U1，为运动装备的轻量化设计提供了可推广的方法论。未来研究可扩展至钛合金材料，并开发针对单个凸轮的测试标准以评估制造缺陷的影响。