基于有限元仿真的抽油機底座拓撲優化研究

李秀娟，王德威，袁永麗

（大慶油田有限責任公司裝備制造研究院，黑龍江大慶 163313）

1 引言

拓撲優化在機械行業的減輕重量、提高結構強度研發中作用日益重要。本文主要介紹怎樣在Hyper Works環境下進行優化設計，并以有限元理論和API 標準為基礎，以某廠在產抽油機主結構件（以減速器筒體為例）為對象實現產品性能的優化過程。

Hyper Works 是Altair 公司開發的成套工程軟件環境，其OptiStruct 模塊使用拓撲優化方法進行前導型仿真優化設計，是專門為產品的概念設計和前導設計開發的結構分析和優化工具，擁有快速、精確的線性有限元求解器。

在Hyper Works 仿真環境中，利用CATIA 建立三維模型，分別導入軟件中進行劃分網格，進行模態分析。模態分析的作用是分析待優化機械基礎參數，為下一步的有限元優化提供數據支持與判斷依據［1］。完成約束條件下的模態分析，而后在其基礎上完成屈曲分析、拓撲優化等過程。

2 拓撲優化

拓撲優化基于一種拓撲數學方法［2］，將幾何體通過整合冗余空間結構，生成更加合理的優化形狀及材料分布。OptiStruct 運算器提取上一步模態分析與受力分析而得的仿真結果，以減輕重量、節省材料、提高強度為設計目標，所形成的運算結果在三次連續迭代中的改變量低于給定公差時，即得到所分析系統拓撲優化改進結構。

Hyper Works 所提供的拓撲優化技術能通過實體單元來定義設計空間，利用Homogenization（均勻化）和Density（密度）兩種方法來定義結構的收斂方式。在得到拓撲優化完成后的結構，利用Ossmooth 工具，可以將拓撲優化結果生成IGES 等格式的文件，再次導入到SolidWorks、Catia 軟件中進行再次二維或三維圖紙設計。

在Hyper Works的OptiStruct 進行結構優化時，可以使用多個條件函數（以輸入參數為自變量）來定義約束條件。概括起來，OptiStruct 完成結構優化過程分為三步［3］：使用Hypermesh 創建適當的求解器輸入文件。建立有限元分析模型，劃分網格；設置優化相關條件，包括：定義設計空間、定義約束條件函數、定義優化設計目標；定義OptiStruct的參數卡片。（2）運行OptiStruct計算，利用Ossmooth工具得到定型的拓撲優化結果；（3）查看優化結果，模型輸入二維、三維造型軟件反算尺寸，進行二次設計。

3 減速器筒體拓撲優化步驟

減速器筒體作為抽油機底座關鍵支撐部件，受周期性交變載荷，其可靠性研究一直作為各抽油機廠家主要課題。

對于減速器筒體拓撲優化首先規定可設計區域，設定拓撲優化單元數：298621，拓撲優化單元體積：4.0201E+07（mm3），拓撲優化單元質量：3.1759E-01（t），之后進入拓撲優化界面（如圖1、圖2 所示）。

圖1 HyperWorks 優化模塊界面

圖2 指定響應條件操作界面

設置其響應條件、添加約束、優化目標函數，在其中設定其變形在20mm 之內，以其提高屈曲分析得到載荷模態為目標函數，對其進行仿真運算得到如圖3、圖4 所示結果。

圖3 座體有限元分析結果云圖

圖4 拓撲優化后密度均化圖譜

通過對云圖和數據表的分析，在進一步的仿真分析中，輸出優化結果并建立新的幾何模型，二次進行仿真分析，形成新的模型，其中兩種新模型如圖5、圖6 所示。

圖5 筒體改進模型1

圖6 筒體改進模型2

4 結論

（1）本文提供了一種對抽油機結構優化較為直觀便捷的實現方法。優化了抽油機筒體結構設計，提高了強度。

（2）新的設計方案適用于抽油機主要的結構。利用不同目標函數的指定可以得到滿足設計要求的具體結果，如頂板厚度、筋板布置，開孔位置、減小工作振動，為抽油機結構優化提供思路。

（3）通過靜載對筒體和支架動力學性能做出一定的改善，具體的結果可以通過應力貼片實驗驗證。

［1］蒲廣益.ANSYSWorkbench12 教程基礎教程與實例講解［M］.北京：中國水利水電出版社，2004：118-119.

［2］張勝蘭.基于Hyperworks的結構優化設計技術［M］.北京：機械工業出版社，2008：170-173.

［3］張勝蘭.Hyperworks 分析應用實例［M］.北京：機械工業出版社，2008：237-238.

［4］尚小江.ANSYS 結構有限元高級分析方法與范例應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2004：15-18.

［5］小颯工作室.最新經典ANSYS 及ANSYSWorkbench 教程［M］.北京：電子工業出版社，2004：100-110.

［6］美國ANSYS 北京辦事處的基礎培訓資料［Z］.2009.