上傳動快鍛壓機活動橫梁結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化分析

姜 峰，馬學鵬，何琪功

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730050)

·設(shè)計計算·

上傳動快鍛壓機活動橫梁結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化分析

姜 峰，馬學鵬，何琪功

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730050)

利用SolidThinking Inspire拓撲優(yōu)化分析軟件，對45 MN快鍛壓機活動橫梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。建立活動橫梁的優(yōu)化分析模型，以活動橫梁整體剛度最大為優(yōu)化目標，利用先進的OptiStruct優(yōu)化求解器進行優(yōu)化求解，得到活動橫梁質(zhì)量降低65%的最優(yōu)設(shè)計方案，并對最優(yōu)設(shè)計方案進行3D模型再造及設(shè)計強度分析，驗證活動橫梁拓撲優(yōu)化分析結(jié)果的可靠性。

快鍛壓機；活動橫梁；SolidThinking Inspire；拓撲優(yōu)化

0 前言

大型鍛壓機作為一種重要的金屬壓力加工設(shè)備，其在國民經(jīng)濟各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。鍛壓機大都采用三梁(上梁、下梁和活動橫梁)的結(jié)構(gòu)型式，其主要結(jié)構(gòu)一般由鑄鋼澆鑄而成。活動橫梁一般承受液壓缸柱塞的輸出力及砧子壓縮工件的反力作用，是鍛壓機的主要受力部件，同時，活動橫梁的剛度將直接影響鍛壓機的成型精度。因此，在鍛壓機的設(shè)計中，如何做到使活動橫梁的剛度強度達到設(shè)計要求就成了大型鍛壓機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用現(xiàn)代設(shè)計方法對活動橫梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，對提高使用壽命、成型精度、增加經(jīng)濟效益具有重要意義[1]。文獻[2-6]研究了機架、上橫梁、組合式下橫梁的結(jié)構(gòu)有限元強度剛度，并注明了分析中的關(guān)鍵步驟和注意事項。文獻[7]利用有限元分析的方法進行強度校核-結(jié)構(gòu)改進-再校核-再改進的方式完成了上橫梁結(jié)構(gòu)改進設(shè)計。目前尚無活動橫梁概念優(yōu)化設(shè)計方面研究的報道。

以往在對鍛壓機主要結(jié)構(gòu)件進行“優(yōu)化設(shè)計”，主要依靠人工反復“修正設(shè)計參數(shù)-再分析”的方法來尋找較優(yōu)的設(shè)計方案，不僅過程冗長，而且結(jié)果受人工干預的因素較多。本文將基于SolidThinking Inspire的拓撲優(yōu)化方法，提出活動橫梁的概念設(shè)計。以模型整體剛度最大為優(yōu)化目標，同時使模型的強度滿足設(shè)計要求，改變傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計。通過對45MN快鍛壓機活動橫梁的設(shè)計驗證，取得了明顯的經(jīng)濟效益，而且極大的提高了設(shè)計的效率和改善了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性。

1 活動橫梁的分析

活動橫梁與工作缸的柱塞相連以傳遞液壓機的作用力，左右兩邊安裝有導向套，以立柱為往復運動的導向，下表面安裝和固定模具或砧子，因此活動橫梁應(yīng)有足夠的承壓能力，同時活動橫梁還應(yīng)具有一定的剛度與抗彎能力。活動橫梁的安裝布置形式如圖1所示。立柱通過上下橫梁組成的機架部件安裝于地面上，所以可以認為是相對固定的部分，活動橫梁通過導向套與立柱相連，所以可以將活動橫梁的受力及約束狀態(tài)用如圖2所示表達。

1.活動橫梁 2.立柱 3.導套圖1 活動橫梁裝配示意圖Fig.1 Schematic diagram of assembly of movable beam

圖2 活動橫梁受力及約束狀態(tài)Fig.2 Stress and constraint condition of the movable beam

2 活動橫梁的拓撲優(yōu)化分析

2.1 SolidThinking Inspire軟件介紹

SolidThinking Inspire是數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)中的一項具有開拓性的成果，它在一個友好易用的軟件環(huán)境中提供了仿真驅(qū)動設(shè)計的工具。它應(yīng)用于設(shè)計的早期，幫助用戶生成和探索高效的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。SolidThinking Inspire采用美國Altair公司先進的OptiStruct優(yōu)化求解器，根據(jù)給定的設(shè)計空間、材料屬性及受力需求生成理想的形狀，根據(jù)軟件生成的結(jié)果進行再設(shè)計。應(yīng)用Inspire進行前期概念設(shè)計，既能提升產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時又奠定了優(yōu)越的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，從而提升了整個設(shè)計流程的效率。

2.2 活動橫梁拓撲優(yōu)化分析模型的建立

用于拓撲優(yōu)化分析的活動橫梁模型需要滿足以下條件：拓撲優(yōu)化分析的前提要保證活動橫梁的安裝及與液壓缸、上砧總成的配合安裝，所以按照設(shè)計的總體尺寸大小，首先確定預留安裝位置的大小及尺寸，將剩下的部分定義為設(shè)計空間，如圖3所示。

圖3 活動橫梁拓撲優(yōu)化分析模型的 建立及約束的施加Fig.3 Establishment of the movable beam topology optimization model and constraints imposed

2.3 拓撲優(yōu)化分析的約束條件

活動橫梁的約束條件的原理如圖2所示，所以將活動橫梁分析模型的安裝導向套的部分施加x、z方向的約束，釋放y方向約束。活動橫梁與上砧總成連接的部分提供反作用力，屬于位移邊界條件，所以施加y方向的約束，釋放x、z方向約束?；顒訖M梁上部安裝有三個不同的油缸，按照極限工況，中間液壓缸輸出29 MN作用力，兩端側(cè)缸各輸出8 MN作用力。活動橫梁拓撲優(yōu)化分析的約束條件如圖3所示。

2.4 拓撲優(yōu)化分析的形狀控制

從圖1所示的活動橫梁模型示意圖中可以看出，活動橫梁滿足兩個方向上的對稱條件，所以激活豎直與左右兩個對稱平面。在水平面上施加一個拔模方向的控制，在分模平面上可以按照受力情況局部控制材料的增減。形狀控制如圖3所示。

2.5 拓撲優(yōu)化分析選項

選擇Mass target(質(zhì)量目標)為“% of Total Design Space Volume(總設(shè)計空間體積的百分比)”，并選擇百分比為35%?？刂芃inimum(最小厚度)為50 mm，控制Maximum(最大厚度)為300 mm。控制加速度方向為-γ，即考慮自身重力的影響。

2.6 活動橫梁的拓撲優(yōu)化分析的結(jié)果

在SolidThinking Inspire軟件中運行拓撲優(yōu)化分析計算后，得到了如圖4所示的活動橫梁的優(yōu)化分析結(jié)果。按照圖3定義的設(shè)計空間的材料大幅度減少，最終形成圖4所示的W形狀，說明活動橫梁在整個受壓、受彎的使用工況下，W形狀的材料是必須存在的，同時保證了整體剛度最大。活動橫梁拓撲優(yōu)化的結(jié)果顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計理念。

圖4 活動橫梁的拓撲優(yōu)化分析結(jié)果Fig.4 Topology optimization analysis results of the movable beam

3 優(yōu)化分析模型的強度剛度分析

3.1 優(yōu)化分析模型的變更

完成圖4所示的拓撲優(yōu)化分析后，需要將拓撲優(yōu)化分析后的結(jié)果形成的拓撲優(yōu)化形狀在3D軟件中進行模型再造。模型再造過程中，一是需要兼顧拓撲優(yōu)化分析的結(jié)果，二是要滿足設(shè)計、制造的標準，最后還要保證設(shè)計的美觀，活動橫梁拓撲優(yōu)化分析結(jié)果的模型再造如圖5所示。在SolidWorks軟件中完成3D再造模型的建立，首先可以確定優(yōu)化分析后的再造模型的質(zhì)量較拓撲優(yōu)化分析之前是否有所減低；其次為進行拓撲優(yōu)化分析后的模型的強度分析提供3D模型基礎(chǔ)。

圖5 活動橫梁的拓撲優(yōu)化分析后的模型再造Fig.5 Redesigned model of movable beam based on the topology optimization analysis

3.2 優(yōu)化分析變更模型的強度分析

活動橫梁拓撲優(yōu)化分析后的結(jié)果雖然保證了最大剛度的優(yōu)化目標，但是優(yōu)化后的活動橫梁是否滿足設(shè)計的強度要求還需要進行分析判斷。所以將在SW中建立的3D模型導入到HyperMesh軟件中進行網(wǎng)格劃分，保證強度分析中需要的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格。然后按照拓撲優(yōu)化分析建模的相同約束條件進行受力及邊界條件的處理，如圖6所示。計算后得到的分析結(jié)果如圖7所示，最大等效應(yīng)力為122.5 MPa，設(shè)計中選擇的材料為ZG270-500，屈服極限為270 MPa，滿足了設(shè)計中要求的最低安全系數(shù)為2的要求。

圖6 變更模型的網(wǎng)格劃分及約束的處理Fig.6 Mesh and constraints of the redesigned model

圖7 變更模型的計算結(jié)果Fig.7 The calculation results of the redesigned model

4 結(jié)論

依據(jù)活動橫梁的特點，利用SolidThinking Inspire軟件進行概念設(shè)計，以整體剛度最大為優(yōu)化目標，對活動橫梁進行拓撲優(yōu)化分析，最終得到活動橫梁的最優(yōu)設(shè)計形式。在滿足設(shè)計強度要求的前提下，再造模型的質(zhì)量較原始模型的質(zhì)量低了7.3 t，節(jié)省材料費用10萬余元，優(yōu)化效果較為明顯，且從建模、加載求解，形狀控制、結(jié)果提取等操作幾乎非常簡便，可以最大限度的提高設(shè)計效率，獲得明顯效益。

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Research on topology optimization for the movable crossbeam of fast forging press

JIANG Feng, MA Xue-peng, HE Qi-gong

(Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co., Ltd., Lanzhou 730050, China)

The paper presents an analysis model of topology optimization to movable crossbeam of 45MN fast forging press by the SolidThinking Inspire. The optimal analysis model of the Movable Crossbeam is constructed, and the maximum stiffness of movable crossbeam is the objective function, by adopting the advanced OptiStruct solver, the optimal design scheme of total weight of the design space reduced by 65% is obtained. Besides, the new 3D model based on the optimal design scheme is redesigned and calculated using FEA. Finally, the reliability of the analysis results is verified.

fast forging press; movable crossbeam; SolidThinking inspire; topology optimization

2015-10-11；

2015-10-29

國家科技支撐計劃項目(2007BAF28B01)；國家自然科學基金項目(51265022)

姜峰(1981-)，男，山東蓬萊人，碩士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作。

TG315

A

1001-196X(2016)02-0058-04