大型液壓機結構件輕量化設計

賀 偉

（中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

大型液壓機產品在機械性能上有強度和剛度兩個基本要求。傳統方法能夠保證性能要求，但缺乏對設計結果合理性的驗證。隨著計算機技術的發展，CAE技術提供了強大的分析功能，可對模型進行有限元分析，從而得出任意節點的應力、應變情況，為優化結構布局提供了科學的理論依據，為結構設計指明了方向。

1 上梁受力分析

某大型液壓機三維實體模型如圖1所示。該液壓機采用三梁八柱預應力拉桿組合結構，由液壓缸、拉桿、上梁、立柱、滑塊、移動工作臺、工作臺等組成。本文以上橫梁為例，對原結構進行應力、變形分析，并通過拓撲優化理念進行輕量化結構優化設計。

圖1 液壓機三維實體模型

上橫梁由大梁（中間）和小梁（兩側）組成，橫梁結構三維示意如圖2所示。上橫梁與立柱用拉桿聯接并可靠定位，以確保整機精度。

上梁為鋼板焊接形式，上表面與立柱結合面處受全約束；下表面與每個液壓缸結合面部位受豎直向上工作壓力；下表面與立柱結合面處受預緊力；上梁本身受重力作用。極限工況分別為：每個液壓缸受力為800 t，大梁每個立柱處受拉桿力為375 t，小梁每個立柱處受力為115 t。

圖2 橫梁結構三維示意圖

2 原結構靜態性能

依據極限工況，施加邊界條件和載荷，大梁、小梁位移云圖如圖3所示，大梁、小梁應力云圖如圖4所示，橫梁靜力求解結果見表1所列。

圖3 大梁、小梁位移云圖

圖4 大梁、小梁應力云圖

表1 橫梁靜力求解結果

3 輕量化設計

3.1 優化目標

輕量化設計的最終目的是減重，原則是保證減重后結構件的強度、剛度不降低。

3.2 拓撲優化

以上橫梁受到極限載荷時的加權靜態應變能最小為優化目標，進行橫梁結構拓撲優化。邊界條件及載荷加載如圖5所示。

圖5 邊界條件及載荷加載

根據上橫梁所有可能的受力情況，對橫梁結構進行綜合載荷結構拓撲優化，所得結果如圖6所示。

圖6 綜合目標結構優化結果

4 改進結構設計

4.1 方案設計

依據拓撲優化結果，對整個模型內部筋板重新布置（外形尺寸保持不變），增加由下表面液壓缸至上表面約束部位斜筋。液壓缸部位圓筒筋板厚度取60 mm，斜筋厚度取50 mm，其余筋板均取40 mm。具體模型方案如圖7所示。

圖7 改進方案模型示意圖

4.2 新舊方案對比

改進方案與原方案筋板布置比較如圖8所示，改進方案位移求解結果如圖9所示，改進方案應力求解結果如圖10所示。新舊方案強度、剛度、重量比較見表2所列。

圖8 改進方案與原方案筋板布置比較

圖9 改進方案位移求解結果

圖10 改進方案應力求解結果

表2 上橫梁靜態特性計算結果

5 結 語

通過對設計方案與原始方案的比較可知，本文改進方案可保證大型液壓機上橫梁的基本性能，同時減重約16.75%，結構受力特性良好，極限工況下最大變形和最大應力都有顯著下降，減小了橫梁質量、整體應力及變形，滿足了輕量化要求。

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