基于ANSYS的液壓挖掘機推土裝置輕量化設計

莊攀

（湖南飛沃新能源科技股份有限公司，湖南常德415700）

關鍵字：推土裝置；輕量化設計；有限元分析

0 引言

目前，輕量化設計是工程機械的主要技術發展方向之一。工程機械輕量化設計在保證原產品的使用性能、可靠性與安全性、節能減排與不增成本基礎上，有目標地進行減少工程機械或零部件自身總質量的等強度設計。工程機械輕量化設計一方面節約原材料，降低生產成本；另一方面降低了燃油消耗，減少排放，有利于環保。挖掘機推土裝置的結構與載荷較為復雜，本文采用有限元法對推土裝置實施結構應力分析驗證，開展拓撲優化方法得出結構輕量化設計方案，找出薄弱環節和冗余部分，以強度理論為基礎，提出輕量化設計方法，達到推土裝置結構優化輕量化目的。

1 推土裝置有限元模型建立與靜力分析

1.1 建立分析模型

本文中推土裝置采用不同厚度的低碳鋼板材焊接，推土裝置材料為Q235，設置彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度235 MPa。推土裝置實際結構較為復雜，模型網格劃分時選擇三維實體單元Solid 95，設置網格大小為10 mm，共劃分46 846個單元，86 399個節點，設置完成后對模型進行自動網格劃分，對比較關心的局部網格（如前梁推土板與彎板對接焊縫、橫梁耳板與圓筒連接位置）進行手工細化處理。幾何模型與劃分網格后有限元模型如圖2、圖3所示。

圖1 某型液壓挖掘機推土裝置結構圖

圖2 推土裝置幾何模型

圖3 推土裝置有限元模型

1.2 模型靜態應力分析

模型有限元分析過程之前，工況選擇是很關鍵，要盡可能反映客戶實際使用情況。根據國家標準GB 9141-88《液壓挖掘機結構強度試驗方法》選取兩種極限靜態工況，對推土裝置作靜力分析。結合推土裝置實際工況，選取兩種典型極限工況為偏載、側頂。

圖4 載荷和約束示意圖（偏載）

圖5 載荷和約束示意圖（側頂）

推土裝置靜態應力分析包括施加載荷和約束條件并對應力和應變進行求解，在偏載與側頂兩種工況下，利用ANSYS Workbench對主梁及橫梁絞接點A、B、C分別施加遠端約束，然后分別在前梁端D點分別施加水平F=46 kN與垂直力F=23.8 kN，兩種典型極限工況載荷和約束示意圖如圖4和圖5所示。

為進一步提高液壓挖掘機推土裝置結構強度，通過對推土裝置應力和應變有限元計算，得到優化前的等效應力和應變云圖，如圖6～圖9所示。從等效應力和應變云圖看出，偏載工況應力值較大位置分布在主梁折彎板與前梁下側彎板連接處。側頂工況應力值較大位置分布在橫梁圓筒與主梁連接處。

圖6 等效應力云圖（偏載）

圖7 方向應變云圖（偏載）

2 推土裝置結構優化設計

目前，輕量化設計研究越來越被國內工程機械企業所重視，行業內已有文獻采用參數優化方法對液壓挖掘機動臂進行輕量化設計，選取動臂參數化模型主要設計參數作為輕量化設計優化變量，以動臂總質量最小為優化目標，通過靈敏度分析、局部分析、全局優化等分析手段對動臂進行輕量化研究。

本文主要運用迭代分析優化思路，通過設置推土裝置總質量為優化目標，設置板厚為優化變量，設置最大應力值與位移范圍為約束條件，以ANSYS對模型進行參數分析，優化迭代產生新設計方案，模型特性再分析的反復迭代，形成設計方案逐步逼近最優方案的方法，達到液壓挖掘機推土裝置進行輕量化設計目的。

2.1 目標函數

結合ANSYS模塊分析功能，在滿足強度、剛度分析基礎上可實現推土裝置結構參數的優化設計，通過優化結構的體積來優化結構質量目的，以質量最輕為目標函數，描述為

圖8 等效應力云圖（側頂）

式中：W1（x）為推土裝置橫梁質量；W2（x）為推土裝置主梁質量，包括左主梁、右主梁；W3（x）為推土裝置前梁質量。

2.2 設計變量

采用變量關聯的方法，將推土裝置結構上互相有聯系的非獨立尺寸按照比例關系確定，通過數據處理，設計變量共有10個物理量，分別歸納為結構總體積、總質量、橫梁圓筒直徑尺寸、主梁箱體高度、寬度、前梁推土板高度、加強板厚度。即

2.3 約束函數

根據設計要求，約束函數設置為結構的應力值或位移值，并確定合理的狀態變量極限。

1）強度狀態變量及約束函數。限制推土裝置結構的最大應力。根據上文對原始模型有限元分析，得到最大應力σmax，由材料Q235最大應力值，得到強度約束函數式。即

式中σi為第i個鋼板工作應力，MPa。

2）靜剛度狀態變量及約束函數。限制推土裝置結構的最大變形。根據上文對原始模型有限元分析，得到最大位移δmax。即

式中：δi為第i個鋼板變形量，mm；δmax為鋼板最小和最大變形量，mm。

按照上述模型描述，建立推土裝置輕量化設計數學模型:

Min：F（x）=W1（x）+W2（x）+W3（x）；

3 輕量化計算及結果分析

拓撲優化設計首先要定義設計空間，設計空間通常情況下選取最大優化范圍，以有利于更多地包含各種結構的可能性，充分挖掘優化潛力。采用“一階方法”優化板厚進行輕量化設計，以推土裝置總質量最小化為目標函數，選定鋼板厚度及主要尺寸t1~t10為優化變量，以推土裝置應力與變形量為約束函數的極值條件。

優化計算中，首先通過目標函數和約束函數計算各優化變量靈敏性，從而確定個變量的迭代變化趨勢和變化量。經過對結構特征迭代計算，產生逐步逼近最優設計方案。當進行到10次迭代計算后，目標函數呈現收斂狀態且循環結束，如圖10所示。優化得到鋼板厚度優化值并進行圓整，結果如表1所示。

圖10 推土裝置總質量迭代收斂過程

表1 變量優化前后對照

拓撲優化推土裝置輕量化參數需根據相應強度進行驗證，采用原模型的載荷與外界條件對優化改進后結構進行分析，最大載荷下的應力和位移結果如圖11和圖12所示。最大應力值為176 MPa，位于主梁圓筒與橫梁接觸端面。最大位移為4.33 mm，位于前梁右下部。

推土裝置優化前后的性能參數匯總如表2所示。由表2可知，優化后結構的最大應力為176MPa，低于所用材料的許用應力，最大位移值滿足剛度要求，結構總質量減少30kg。

圖11 等效應力云圖

圖12 方向應變云圖

表2 推土裝置優化前后性能參數

改進后的推土裝置在保證結構強度與變形量前提下，通過優化各部分板材厚度值，整體應力分布更加均勻，材料分布達到合理狀態，綜述以上，將此作為輕量化分析的最佳方案，輕量化效果達到11.7%。

4 結 語

本文以挖掘機推土裝置為研究對象，應用有限元模塊進行優化分析，以推土裝置剛度與強度為約束條件，以推土裝置總質量最小為優化目標，通過拓撲迭代計算逐步逼近的思路得到推土裝置的最佳設計方案，實現推土裝置的輕量化設計。目前，經輕量化設計的推土裝置已完成樣件試制及驗證，并小批量裝配某型液壓挖掘機。本文采用的設計方法與優化思路為工程機械結構輕量化設計提供技術參考。