基于OptisStruct的橋梁檢測車臂架結構靈敏度及尺寸優化分析

高軍委，劉家嫵，魯曉虎，嚴鵬鵬

工藝裝備

基于OptisStruct的橋梁檢測車臂架結構靈敏度及尺寸優化分析

高軍委，劉家嫵，魯曉虎，嚴鵬鵬

（陜西汽車控股集團有限公司，陜西 西安 710200）

針對橋檢車臂架結構笨重的現象，根據橋梁檢測車臂架結構的工作條件及負載情況，對橋梁檢測車垂直、二回轉及伸縮臂總成結構剛度及強度進行分析，并針對分析結果對原始模型進行結構靈敏度分析及尺寸優化，對模型中方管及板料壁厚減薄，在充分考慮多種設計約束的前提下尋求滿足預定目標的最佳設計，為橋梁檢測車臂架結構的優化設計提供參考。

橋檢車；剛度；強度；靈敏度分析；尺寸優化

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-172-04

引言

橋梁檢測車是一種可以為橋梁檢測人員在檢過程中提供作業平臺，裝備有橋梁檢測儀器，用于流動檢測和維修作業的專用汽車[1]。它通過三段巨型機械臂的回轉、伸縮將工作人員和檢測設備送至橋梁底部工作范圍內的任意位置進行橋梁檢測作業。橋梁檢測車臂架結構作為橋梁檢測車最主要結構組成部分，合理的結構設計對整車結構性能有很大的提升，以往的設計主要是關注料厚，往往認為，板越厚，結構就越強。近年研究發現，提升結構的比剛度才能有效提升材料的結構性能[2]。為此，在新產品設計中，需要根據橋梁檢測車臂架結構的力學特性，在滿足剛度需求的前提下怎樣使得材料的質量最輕。基于此對橋檢車臂架結構進行尺寸優化設計，提高其結構力學性能。通常僅憑設計人員的經驗很難實現結構的最優化, 隨著計算機的發展和工程計算軟件的日益成熟，一種新的手段大大的改善了優化的質量。本文首先進行了基于剛強度特性的靈敏度分析，為后續的結構優化方案提供良好的依據。使用OptiStruct計算器對臂架結構的尺寸優化，最終計算結果表明，修改后方案使結構性能大幅度提高。基于靈敏度方法，為臂架結構的開發提供了思路和設計依據。

1 橋檢車臂架結構靈敏度及尺寸優化分析

1.1 結構靈敏度分析

結構靈敏度分析[4]是以建立結構準確的有限元模型和優化問題合理的數學模型為基礎的，是分析結構性能參數Tj對結構設計參數xi變化的敏感性，即：

靈敏度的數值可以反映結構各設計變量對結構性能的影響。公式推導過程：

靜力平衡方程可表示為：

對上式左右兩端求關于第i項設計變量xi的偏微分，并移項得：

由于載荷向量F并不隨設計變量的變化而變化，故△F=0，所以：

于是，目標函數或約束等有關節點位移函數的性能參數對設計變量 xi的靈敏度可由下式求出：

1.2 尺寸優化流程

尺寸優化是最經典的優化技術，一般也叫參數優化技術（改變模型參數值，網格模型保持不變），可以對有限元模型的各種參數，如板件厚度、桿梁截面、尺寸、材料特性、彈性元件剛度等進行優化，如圖1：

利用T-text分析是否上過檢索課研究生對于初級知識、中級知識、高級知識、初級技能、中級技能、高級技能、態度的差異情況，經過研究發現在知識、技能兩個方面因素P值都大于0.05，沒有顯著性差異，只有態度的P值低于0.05，存在顯著性差異，上過文獻檢索課的得分高于沒上過文獻檢索課的研究生。

圖1 尺寸優化流程圖

2 橋梁檢測車模型建立

2.1 三維實體模型的建立

文章采用CATIA軟件建立橋梁檢測車臂架結構三維實體模型，并對模型進行必要的簡化，其模型如圖2所示。

圖2 橋檢車三維實體模型

2.2 有限元模型的建立

文章采用hypermesh軟件對橋檢車進行網格劃分，主體結構為桁架結構，采用1D梁單元、2D殼單元及3D實體單元三種單元類型。殼單元平均尺寸20mm，體單元平均尺寸10mm，模型節點數389672，單元數量499137。如圖3所示。

圖3 橋檢車有限元模型

3 約束及載荷的建立

3.1 約束的建立

約束垂直壁上連接支架六個絞點的三個方向平動自由度。如圖4所示。

圖4 約束條件

3.2 載荷的施加

3.2.1 工況一：整個旋轉臂及伸縮臂面施加8000N均布載荷；

圖5 8000N均布載荷

3.2.2 工況一：伸縮臂前端1㎡處施加4000N集中載荷。

圖6 8000N均布載荷

4 靜力分析結果

4.1 位移云圖

對兩種工況下橋檢車臂架結構進行靜力分析，得到位移結果分別為8000N均布載荷下位移為320.5mm，4000N集中載荷下位移為323.9mm，如圖7所示。

圖7 位移云圖

對兩種工況下橋檢車臂架結構進行靜力分析，得到應力分布結果分別為8000N均布載荷應力為416.1MPa，4000N集中載荷下應力為406.5N，如圖8所示。

圖8 應力云圖

5 靈敏度分析及尺寸優化

圖9 剛度靈敏度柱狀圖

根據橋檢車垂直&旋轉臂的結構特點，將方管壁厚及板厚t作為優化變量，對結構剛度進行約束，建立目標函數，定義質量最小，對整個結構進行剛度靈敏度分析，如圖9和10所示。

圖10 剛度靈敏度H3D圖

6 對新結構進行二次分析

6.1 參數提取

圖11 參數提取

6.2 對剩余部件重新定義厚度，重新計算

6.2.1 工況一（位移云圖對比）

圖12

工況一的情況下，新模型與原始模型位移對比結果，最大位移出現位置未發生變化，新模型位移306.1mm＜原始模型320.5mm，表明輕量化后模型彎曲剛度增加。

6.2.2 工況一（應力云圖對比）

圖13

工況一的情況下，新模型與原始模型應力對比結果，最大應力位置未發生變化，新模型應力最大值367.2MPa＜原始模型最大應力值416.1MPa，表明輕量化后模型應力水平降低。

6.2.3 工況二（位移云圖對比）

圖14 參數提取

工況二的情況下，新模型與原始模型位移對比結果，最大位移出現位置未發生變化，新模型位移311.7mm＜原始模型323.9mm，表明輕量化后模型彎曲剛度增加。

6.2.4 工況二（應力云圖對比）

圖15

工況一的情況下，新模型與原始模型應力對比結果，最大應力位置未發生變化，新模型應力最大值357.5MPa＜原始模型最大應力值406.5MPa，表明輕量化后模型應力水平降低。

7 結論

通過對橋梁檢測車臂架結構仿真分析，得出一下結論：

1）原始模型重量為5.027t，尺寸優化后新模型重量4.402t，重量減輕625kg，減重幅度為12.4%；

2）本文系統闡述了基于OptiStruct的橋檢車結構剛度靈敏度分析及尺寸優化過程，其優化后結果明顯優于優化前方案。同時，羅列了以臂架結構各部件的厚度為參數，以整體結構剛度為函數，確定了它們之間的定量關系，為以后橋檢車的設計提供指導和依據, 減小設計的盲目性和設計成本，提高了產品質量。實踐證明, 基于靈敏度分析方法在工程優化方法中具有良好的可行性和應用前景。

[1] 龔棟梁.國內外橋梁檢測車發展概述[J].商用汽車,2009(6)∶100-102.

[2] 洪清泉,趙康,張攀,等.OptiStruct＆HyperStudy理論基礎與工程應用[M].北京∶機械工業出版社,2012.

[3] 王鈺棟,金磊,洪清泉,等.HyperMesh＆HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社,2012.

[4] 陳敏,張華偉,吳智恒,鄭振興.山地車車架結構靈敏度分析及優化設計[J].機械設計與制造，2013 (10)∶233-238．

[5] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪.基于hyperworks的機構優化設計技術[M].北京∶機械工業出版社,2007.

Sensitivity Analysis & Size Optimization Based on OptisStructof Trussed Structure of Bridge Inspection Vehicle

Gao Junwei, Liu Jiawu, Lu Xiaohu, Yan Pengpeng
( Shaanxi Automobile Co.Ltd,. Shaanxi Xi'an 710200 )

For the bulky structure of trussed structure of bridge Inspection vehicle, according to the bridge Inspection vehicle structure working conditions and load conditions of the bridge Inspection vehicle, two vertical rotary and telescopic arm assembly structure stiffness and strength are analyzed,and the results of the analysis for structural sensitivity analysis and size optimization of the original model, the model of tube and sheet thickness, seek the best design to meet the target in consideration of various design constraints, provide a reference for the optimization design of trussed structure of bridge Inspection vehicle．

bridge Inspection vehicle; stiffness; strength; sensitivity; analysis; size optimization

U467

A

1671-7988 (2017)16-172-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.060

高軍委，就職于陜西汽車控股集團有限公司。