煤槽側壁支撐桁架結構優化設計

于在福,秦旭日,李 響,黃 琳,任柏青,趙 峰

(大連重工·起重集團有限公司設計研究院,遼寧 大連 116013)

自上世紀 60年代搗固裝煤車誕生以來,裝煤車煤箱的性能一直是研究的熱點。煤箱的性能好壞取決于兩個因素,一是煤槽壁鋼骨架性能;二是煤槽側壁支撐桁架性能。

本文從改善煤槽側壁支撐桁架性能的角度著手,運用結構拓撲優化的方法,對煤槽側壁支撐桁架進行優化設計,旨在找到重量輕、剛度好的新型結構形式。

1 煤槽壁支撐桁架載荷與工況分析

煤槽側壁支撐桁架的結構如圖 1所示,每側煤壁的桁架由 10個單獨的小支撐桁架組成。根據試驗和多年的設計經驗總結,搗固時為煤槽側壁最危險工況,此時煤槽側壁受到壓力自上而下呈梯形分布,頂部載荷為 0.025 MPa,底部載荷為0.038MPa。在 ANSYS中先對煤槽側壁和支撐桁架進行整體有限元分析,施加梯度載荷在煤槽側壁上,底部視為固定端。位移計算結果見圖 2。

圖 1 煤槽側壁與支撐桁架裝配圖

圖 2 整體結構位移圖 /mm

提取整體結構有限元分析中煤槽壁與單個小支撐桁架間連接處的節點力,取平均值作為單個小支撐桁架有限元分析的外載荷,建立單個小支撐桁架有限元模型進行分析。計算結果如圖 3所示,最大應力為 46.4 MPa,最大位移為 2.1 mm。結構的前 4階模態見表 1。

圖 3 原結構方案強度剛度分析結果

a)原結構方案應力云圖/MPa (b)原結構方案位移云圖/mm

表 1 原始結構的前 4階模態分析結果

2 煤槽壁支撐桁架拓撲優化設計

拓撲優化的基本思想就是在一個給定的空間區域內,依據已知的負載或支撐等約束條件,尋找最優的材料分布。從而使結構的剛度達到最大或使輸出位移、應力等達到規定要求[1]。

首先,在ANSYS中建立單個小支撐桁架優化前的幾何模型。優化前的幾何模型是設計者根據設計要求給定零件的待優化區域和非優化區域。建模時,不用考慮零件太詳細的結構,除了非優化區域規定的幾何外形外,其他的支撐結構的部位均可考慮為全封閉的平面或實體[2]。根據桁架的功能及裝配關系確定有限元模型中可以去除材料的部分,將這部分材料設置為優化區域,其余區域為非優化區域,如圖 4所示。

圖 4 煤槽壁單個小支撐桁架優化前模型

施加載荷和邊界條件,如圖 5所示。一般來說,拓撲優化計算的結果對于載荷數值和分布的變化是十分敏感的,載荷值及分布的微小變化都可能導致優化結果顯著的不同[3],所以在提取載荷時應盡量符合實際受力情況。

圖 5 優化前模型的載荷、位移約束

最后,以結構剛度最大為目標,設定體積減少 85%作為優化約束條件進行拓撲優化,優化后的結果如圖 6所示。

圖 6 煤槽壁單個小支撐桁架拓撲優化結果

圖 6中材料相對密度近于 0的區域表示優化后該區域材料可以去除,材料相對密度近于 1的區域內材料則可以在優化后保留。

3 結構模型

拓撲優化得到的結果只是新結構型式的一個雛形,即概念模型,不能直接導出應用于生產實踐,必須經由設計者對其進行演繹才能產生出新的設計方案。

從概念模型到結構模型的過程中要考慮零件的強度和剛度,即通過有限元計算分析結構的強度、剛度,不斷調整結構可變部分的尺寸,直到零件符合設計要求。這是一個從計算到調整、再從調整到計算反復迭代的過程。

由于煤槽側壁支撐結構是由焊接的鋼結構組成,所以將概念模型轉化為由工字鋼組成的鋼結構,如圖 7所示。

圖 7 煤槽壁單個小支撐桁架結構模型

在ANSYS中對建立的結構模型先進行剛度校核分析,不斷調整結構可變尺寸直到剛度滿足要求后再進行強度設計。多次調整后最終得到優化后的結構模型有限元計算結果,如圖 8所示。

圖 8 新結構方案位移應力分析結果

對優化后的結構模型進行有限元分析,發現其變形減小,應力水平降低,且應力分布更為均勻。其前 4階模態見表 2。

表 2 優化后結構的前 4階模態分析結果

4 優化前后方案對比

將單個小支撐桁架優化前后方案的各項性能列表對比,如表 3所示。

表 3 優化前后結構各項性能對比表

從表 3中可以看出,拓撲優化后的結構不僅重量相比以前減少 583 kg,而且位移也減小了 0.3 mm。在重量減輕的同時提高了剛度性能,很好的實現了“重量輕、性能好”的設計目標。

5 結論

本文將拓撲優化的方法應用到煤槽壁支撐桁架結構設計中。由拓撲優化結果提供的思路設計出了新結構煤槽壁支撐桁架。經過對比分析表明新結構的重量比原結構減少了 18.3%,剛度性能也得到提高,而且加工制造方便,很好的實現了“重量輕、性能好”的設計目標。

通過此次對煤槽壁支撐桁架結構的優化設計可以看出,拓撲優化方法是復雜零部件優化創新設計中重要的輔助手段。根據拓撲優化方法尋找一定載荷下最優的材料分布,可以幫助設計人員跳出常規的設計思路,得出性能優越、造型新穎的設計方案。

但是拓撲優化的結果提供的只是一個材料分布趨勢圖,并不包含尺寸信息。要想成功的把概念模型轉化為可以為工程實際應用的結構模型仍需要設計人員發揮自身的聰明才智。但不論怎樣在復雜零部件設計中引入拓撲優化方法,確實為設計者的設計開辟了新思路,指明了新方向。

[1] 趙松年.現代設計方法 [M].北京:高等教育出版社,1996.

[2] 李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京:清華大學出版社,2005.

[3] 陳敏志,張旭月.拓撲優化研究方法綜述[J].山西建筑,2005,(21).