基于Hypermesh的紙卷夾優化設計

王茂兵

（安徽合力股份有限公司工業車輛安徽省重點實驗室，合肥230601）

基于Hypermesh的紙卷夾優化設計

王茂兵

（安徽合力股份有限公司工業車輛安徽省重點實驗室，合肥230601）

根據紙卷夾工作狀態、夾持物體形狀，初步確定其結構，整體進行CAE三維建模，導入Hyperworks軟件進行靜力學分析，并通過分析的結果進行尺寸優化設計，從而降低了紙卷夾的質量，提高了紙卷夾的綜合承載能力。

紙卷夾；優化設計

0 引言

近年來隨著國內經濟的高速發展，叉車等搬運設備的使用已經逐步代替了人力搬運。現今的叉車是以貨叉為主要工作裝置，其他簡單、特殊的工作裝置為輔助手段。當遇到筒狀物如紙卷、油桶等物體，就需要專業的屬具，如紙卷夾來實現貨物的快速搬運，并可減少對貨物外形的損壞。根據造紙行業的統計，使用普通不帶紙卷夾的叉車，紙卷的破損率高達15%，并且存在二次搬運的弊端。根據國外公司的統計，在不到1年的時間內，破損紙卷的損失就抵上一臺屬具的價格，而購買紙卷夾且使用頻繁的用戶會在更短的時間內收回成本。

1 結構設計

1.1 紙卷夾組成

紙卷夾主要有由液壓馬達1、減速箱2、滑架3、夾板4、活動臂5、夾持油缸6、回轉支承7、固定臂8組成，見圖1。

液壓馬達1通過減速箱2驅動回轉支承7的回轉圈，回轉支承7的固定圈與滑架3連接，回轉支承7的回轉圈與固定臂8連接，活動臂5鉸支在固定臂8上，夾持油缸6的兩端分別固定在活動臂5和固定臂8上，當液壓油缸6有壓力時，活動臂5運動來夾持紙卷，當液壓馬達1有壓力時，整個紙卷夾隨著固定臂8和活動臂5一起轉動，夾板4分別安裝在活動臂5和固定臂8上，用來和紙卷接觸，而不損傷紙卷。

圖1 紙卷夾構成

2.2 夾持范圍

本紙卷夾可以夾持直徑330～1 150 mm的紙卷，紙卷重1 300 kg。如圖2。

3 受力分析

當夾持圓筒直徑為1150mm時，紙卷夾承載1300kg，在這種狀態下，對紙卷夾受力分析如圖3。

所需夾持力

f為夾板與紙卷的綜合摩擦系數，由于夾板表面的特殊處理，f>0.8；n為安全系數，取值范圍1.5～2.5，本文取最大值n＝2.5，Fmax＝n·G/f=40625N。

圖2 夾持范圍

圖3 最大夾持力受力示意圖

D＝10.44 cm，取整為105 mm。p為工作壓力16.0 MPa，D為夾持油缸直徑。

4 CAE分析

4.1 水平狀態分析

旋轉抱夾綜合承載1.3 t。在水平加持工況下，抱夾長臂承受40 625 N支撐反力，方向垂直于夾板。

短臂承受40 625 N的支撐反力同時也承受13 000 N的貨物重量，方向也是垂直于夾板。

圖4 水平夾持工況抱夾載荷圖

表1 各零件應力值 MPa

約束上滑塊水平面的y向移動自由度，傾斜面的z向移動自由度，同時約束貨叉架下橫梁在底板z向移動自由度。

考慮1.25倍動載系數，水平夾持工況下模型的加載方式如圖4所示。

4.2 豎直狀態分析

由于旋轉抱夾在使用過程中可以360°自由旋轉，因此其豎直夾持工況下的應力分布情況也應該模擬分析。

在豎直夾持工況下，抱夾長臂同樣承受40 625 N支撐反力，方向也垂直于夾板，另外還承受豎直向上的摩擦力6 500 N。

短臂承受40 625 N的支撐反力同時也承受約豎直向上的摩擦力6 500 N。

約束上滑塊水平面的y向移動自由度，傾斜面的z向移動自由度，同時約束貨叉架下橫梁在底板z向移動自由度。

圖5 豎直夾持工況抱夾載荷圖

考慮1.25倍動載系數，豎直夾持工況下模型的加載方式如圖5所示。

5 尺寸優化設計

5.1 初步改進方案

底板和安裝底座的應力值在300 MPa以內，并且在實際建模時底板上的結構有所刪除，因此實際的應力值可能還會小一些，所以底板和安裝底座選用Q345材料。另外尺寸統一采用16 mm厚的板材，這樣可以減少原材料的種類。

表2 各零件應力值MPa

在兩種工況下油缸支座的應力都比較大，考慮到它是直接受力件，因此把它的厚度增加10 mm，同時材料選用Q345。

根據表1和表2中的數據，其余部件的結構材料選用Q235A。

5.2 尺寸優化

由于紙卷夾的自重直接影響到整機的綜合承載能力，因此評價紙卷夾的自重顯得非常重要，我們將初步設計的紙卷夾自重與國外兩大屬具制造商生產的同類型同噸位紙卷夾進行了比較。

通過對比可以看出，初期設計方案自重相比較重，因此利用Hyperworks提供的優化工具Optistruct對現有結構進行優化。

5.2.1 Optistruct結構優化設計方法簡介

Optistruct是基于有限元法的結構優化設計工具，它提供拓撲優化、形貌優化、尺寸優化、形狀優化以及自由尺寸和自由形狀優化，這些方法被廣泛應用于產品開發過程的各個階段。

5.2.2 結構優化的數學模型及名詞描述

表3 屬具自重對比表 kg

優化三要素：1）目標（Objective）優化設計的目的就是要求所選的設計變量使目標函數達到最佳值min（max）f（xi）；2）設計變量（Design Variables）：是在優化過程中發生改變從而提高性能的一組參數xi，i=1，2，3，…，n。3）設計約束（Design Constraints）優化設計的約束值是對設計變量取值的限制，gj（x）≤0，j=1，…，m。

5.2.3 紙卷夾的尺寸優化

尺寸優化是Optistruct中提供的另一種優化設計，是設計人員對模型形狀有了一定的設計思路后進行的一種細節設計，它是通過改變結構單元的屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性等，以達到一定的設計要求。

從紙卷夾的初期方案來看，長臂、短臂、長短臂外弧板均選用10 mm材料為Q420的板材，且為整體結構使用量最大的一種板材，而分析結果顯示長短臂的應力最大。因此在保證長、短臂應力滿足條件的前提下，對此種板材厚度進行優化，可能大幅降低結構的自重。

優化問題描述如下：

響應：體積響應，von mises應力響應；

設計目標：體積最小（體積響應）；

約束：應力小于400MPa（von mises應力響應）；

設計變量：殼單元厚度在5～10 mm之間；

設計空間：長臂、短臂。

1）水平夾持工況尺寸優化結果。共進行了8次迭代，查看out文件可以看到：厚度變化范圍從5～8 mm時，通過優化找到最佳厚度為6.55 mm。

表4 水平夾持工況分析結果

表5 豎直夾持工況分析結果

2）豎直夾持工況尺寸優化結果。共進行了9次迭代，查看out文件可以看到：厚度變化范圍從5～8 mm時，通過優化找到最佳厚度為7.654 mm。

兩次優化結果的板材厚度分別是6.5mm和7.654mm，考慮現有鋼材品種，最終選取8 mm厚、材料為Q420的材料制作長短臂及長短臂內外弧板。

最終優化結果紙卷夾結構件質量為305 kg。

5.2.4 優化后新方案校核

對優化后結果重新建立有限元模型，重新計算校核紙卷夾結構，驗證優化結果。從分析結果可以看出，新方案完全符合要求。

5.3 結論

分析結果來看，紙卷夾質量降低53 kg。

預設使用1.5 t叉車安裝紙卷夾，優化前紙卷夾質量M=378 kg，水平重心CGH=205 mm，計算得出CN=1 055 kg；優化前紙卷夾質量M=325 kg，水平重心CGH=189 mm，計算得出CN=1 098 kg，有效地提高叉車和屬具的綜合承載能力。

［1］ 李芳，凌道盛.平面應力問題的結構拓補優化［J］.浙江工業大學學報，2000，28（3）：220-223.

［2］ Mlejnek H P，Schirrmascher R.An engineer’s approach to optimal material distribution and shape finding［J］.Comput Method Appl Mech Engrg，1993，106（1-2）：1-26.

［3］ 陸植.叉車設計［M］.北京：機械工業出版社，1991.

［4］ 張勝蘭，鄭東黎.基于HyperMesh的結構優化設計技術［M］.北京：機械工業出版社，2007.

（編輯啟 迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0073－03

王茂兵（1979—），男，工程師，碩士，從事機械結構設計工作。

2014-02-10