基于Optistruct的拉臂穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱冰 李偉 任淑燕 王凱

長治清華機械廠 山西長治 046000

基于Optistruct的拉臂穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱冰 李偉 任淑燕 王凱

長治清華機械廠 山西長治 046000

面對日益嚴峻的市場形勢，對專用車的各項性能提出了巨大挑戰(zhàn)，以節(jié)能為目標的輕量化設(shè)計成為各廠家所追求的目標。針對拉臂穩(wěn)定裝置，以產(chǎn)品輕量化為目標，以O(shè)ptistruct軟件為平臺，通過拓撲優(yōu)化方法，在提高結(jié)構(gòu)剛度的基礎(chǔ)上，大幅度降低了結(jié)構(gòu)重量，得到了一種新型穩(wěn)定裝置，為今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種新思路。

拉臂穩(wěn)定裝置 拓撲優(yōu)化 Optistruct

1 前言

穩(wěn)定裝置是拉臂機構(gòu)的重要組成部分之一，一般安裝于底盤尾部，當拉臂鉤取車廂時，穩(wěn)定裝置與地面接觸，起到支撐作用[1]。目前我廠使用的穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該穩(wěn)定裝置主要由上支架、下支架、滾輪及穩(wěn)定油缸組成。當其工作時，油缸伸出，滾輪與地面接觸，將載荷傳遞至地面；當處于非工作狀態(tài)時，油缸收回到位，穩(wěn)定裝置附于底盤上并隨車運輸。

由上可知，當穩(wěn)定裝置不工作時，它將作為整車的負載，如果在保證結(jié)構(gòu)剛度不損失的情況下，減輕穩(wěn)定裝置的自重，則能夠提升整車性能、節(jié)約原材料以及降低成本。因此，對穩(wěn)定裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。

拓撲優(yōu)化是一種數(shù)學方法，目的是在給定的空間結(jié)構(gòu)中生成最優(yōu)的形狀及材料分布。其優(yōu)點是在不知道結(jié)構(gòu)具體形狀的前提下，根據(jù)已知邊界和載荷條件確定較合理的結(jié)構(gòu)形式，為設(shè)計人員提供最優(yōu)設(shè)計方案。在拓撲優(yōu)化中，每個單元的密度值將作為設(shè)計變量，在0～1之間連續(xù)變化，材料的剛度被假想成與密度成線性關(guān)系，通過這種方法，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)問題被轉(zhuǎn)化為連續(xù)的密度分布問題[2]。

Optistruct是一款面向產(chǎn)品設(shè)計、分析和優(yōu)化的有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，擁有全球先進的優(yōu)化技術(shù)，為用戶提供全面的優(yōu)化方法。

2 穩(wěn)定裝置剛度研究

穩(wěn)定裝置的主要自重由上、下支架分擔，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，上支架質(zhì)量為23.9 kg，下支架質(zhì)量為24.1 kg。本次優(yōu)化以兩支架為研究對象。

首先計算現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的剛度，作為后續(xù)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)剛度參考指標。利用HyperMesh建立上下支架的有限元模型。為了得到較全面的結(jié)構(gòu)剛度信息，定義3種上支架計算工況、4種下支架計算工況（如表1），其示意圖如圖2所示。

表1 上、下支架工況載荷表

通過計算，可得上、下支架的位移，如圖3、4所示。

取上、下支架的下方連接點為研究對象，作為優(yōu)化分析的理論參考值（如表2），即優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)剛度位移需小于此值。

3 穩(wěn)定裝置優(yōu)化模型的建立

如圖5所示，定義支架的被約束部分及加載部分為非設(shè)計區(qū)域（藏藍色區(qū)域），在拓撲優(yōu)化時，非設(shè)計區(qū)域結(jié)構(gòu)將保持不變。主要承載結(jié)構(gòu)為設(shè)計區(qū)域（黃色及青色區(qū)域），其形狀被定義為塊狀封閉空間，程序?qū)⒃谠O(shè)計區(qū)域內(nèi)進行結(jié)構(gòu)拓撲，為了不與油缸干涉，各支架的設(shè)計區(qū)域中避開了穩(wěn)定油缸所在位置[3]。

表2 上、下支架各向位移數(shù)值表

4 初步優(yōu)化結(jié)果

以結(jié)構(gòu)體積最小化為優(yōu)化目標，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，經(jīng)計算后，上、下支架的密度分布等值面圖如圖6所示。圖6中顯示了經(jīng)優(yōu)化后相對密度大于0.3的結(jié)構(gòu)部分（注：紅色部分相對密度為1，表示不可優(yōu)化部分）。

5 優(yōu)化區(qū)域重定義

在圖6中，軟件給出了最優(yōu)的材料概念分布，但未考慮結(jié)構(gòu)的可加工性能，而該優(yōu)化結(jié)構(gòu)明顯不利于加工。目前，在特種車輛、工程機械領(lǐng)域中，板材焊接結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位。因此，參考圖6中給出的材料分布模型及結(jié)構(gòu)，重新定義優(yōu)化區(qū)域，此次優(yōu)化區(qū)域全部由板材構(gòu)成，以確保優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可加工性更好，板材盡量布置在材料相對密度較大的區(qū)域內(nèi)，其中，上支架設(shè)計區(qū)域中板厚為5 mm，下支架為4 mm。其拓撲結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

6 最終優(yōu)化結(jié)果

在重新定義的區(qū)域內(nèi)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其中，各向位移限定值保持不變，得到最終的優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖8所示。

經(jīng)過最終的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，程序在板材拓撲結(jié)構(gòu)中找到了最優(yōu)的材料分布，可以通過Optistruct軟件自帶的OSSmooth工具將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)導(dǎo)出為IGES格式文件，并導(dǎo)入至UG設(shè)計軟件中，設(shè)計師可以根據(jù)圖8中的概念結(jié)構(gòu)特點對穩(wěn)定裝置進行重新建模，經(jīng)重新設(shè)計后，新型的穩(wěn)定裝置上、下支架結(jié)構(gòu)如圖9所示。

7 新結(jié)構(gòu)剛度驗證

為了驗證新設(shè)計結(jié)構(gòu)的剛度性能，利用HyperMesh對新結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型，對模型施加表1所列載荷，進行剛度分析，并與原有結(jié)構(gòu)進行對比，新穩(wěn)定裝置上、下支架的各工況位移云圖如圖10、11所示。

由圖10、11可知，新穩(wěn)定裝置上、下支架的各向位移均小于設(shè)計值（見表2），新結(jié)構(gòu)剛度提高，滿足設(shè)計要求。

8 校核分析

通過Optistruct軟件，對拉臂穩(wěn)定裝置剛度進行了研究，并以結(jié)構(gòu)輕量化為目標，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過分析計算，在提高了結(jié)構(gòu)剛度的基礎(chǔ)上，成功降低了結(jié)構(gòu)自重。現(xiàn)將參考點優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)自重對比列于表3。

由表3分析可知，對比原有結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度有顯著提高，使穩(wěn)定裝置的可靠性進一步增強，同時上下支架的自重由原有的48 kg降低至36 kg，整車質(zhì)量更輕便，節(jié)能性更好。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的拉臂穩(wěn)定裝置如圖12所示。

9 結(jié)論

在能源形勢日趨嚴峻的今天，如何高效準確的研發(fā)出輕量化產(chǎn)品對于各企業(yè)而言都至關(guān)重要。本文以穩(wěn)定裝置為例，通過拓撲優(yōu)化算法，成功提高了結(jié)構(gòu)剛度，并降低了穩(wěn)定裝置的自重，為今后的整車輕量化開發(fā)提供基礎(chǔ)，也為該類車型結(jié)構(gòu)設(shè)計方式提供了一種新思路。當然，本次研究雖然提供了一種新型結(jié)構(gòu)形式，但是在具體設(shè)計時，應(yīng)考慮實際情況，對結(jié)構(gòu)進行適當改良，以滿足生產(chǎn)要求，真正達到優(yōu)化的目的。

[1] QC/T 848-2011,拉臂式自裝卸裝置[S].

[2] 張勝蘭,鄭東黎,郝琪等.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

Structure Optimization for Hooklift Arm Stabilizing Device Based on the Optistruct Software

ZHU Bing et al

The increasingly severe market situation has been posing great challenge for all aspects of special purpose vehicles.All manufactures choose to pursue more light-weight design aiming at cost reduction.In this article, with hooklift arm device as an example, a new stabilized device is proposed based on Optistruct software and topological optimization, it strengthens the structure stiffness while greatly reduce the structure weight.Hopefully this can provide a new idea for structure design.

hooklift arm stabilizing device; topology optimization; Optistruc

U469.79.03

A

1004-0226(2016)06-0082-04

朱冰，男，1987年生，工程師，現(xiàn)從事改裝車及型號產(chǎn)品研發(fā)工作。

2016-03-17