發(fā)動機安裝車懸臂梁的設(shè)計與優(yōu)化

王川東，唐宇，殷貴剛，李安成，錢俊宏

發(fā)動機安裝車懸臂梁的設(shè)計與優(yōu)化

王川東，唐宇，殷貴剛，李安成，錢俊宏

（成都凱迪精工科技有限責任公司，四川 成都 610041）

懸臂梁作為發(fā)動機安裝車上最重要的承力構(gòu)件之一，除必須具有足夠的強度和剛度之外，同時還要保證質(zhì)量較輕，最終才能保證發(fā)動機安裝車的正常使用和安全性。通過分析懸臂梁的工作原理，建立出零件的初步三維模型，通過設(shè)定邊界條件和添加載荷，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)進行分析，結(jié)果顯示強度滿足要求、但質(zhì)量過大，需進一步優(yōu)化改進。利用Workbench環(huán)境中的拓撲優(yōu)化模塊對零件進行形狀和尺寸的優(yōu)化，最終得到了滿足強度條件下質(zhì)量更輕的懸臂梁。經(jīng)實物稱量，該零件的實際質(zhì)量較設(shè)計之前減少了14.25 kg、減幅達51.59%，為今后該類型零件的設(shè)計提供一定的參考。

懸臂梁；靜力學；強度；優(yōu)化；ANSYS Workbench

發(fā)動機安裝車是航空工業(yè)領(lǐng)域常用的地面輔助設(shè)備，具有多個方向的調(diào)節(jié)自由度，能夠保證發(fā)動機在飛機的調(diào)試、裝配和維修過程中便捷地進行拆裝。

懸臂梁作為發(fā)動機安裝車上最重要的承力構(gòu)件之一，位于發(fā)動機安裝車的最上層，呈對稱分布，前端（圓柱軸段）與支撐臂連接，中間鉸接在支架上，后端與拉力傳感器連接在一起，與支撐柱共同分擔發(fā)動機的全部重量，如圖1所示。質(zhì)量大的懸臂梁構(gòu)件雖能滿足強度和剛度要求，但會導(dǎo)致整個發(fā)動機安裝車的質(zhì)量增加，不僅增加了裝配人員的勞動強度、造成材料的極大浪費，同時也使得發(fā)動機安裝車的移動靈活性變差。因此，設(shè)計出既能滿足強度和剛度要求、同時質(zhì)量輕便的懸臂梁顯得極為重要[1]。本文利用ANSYS Workbench中的拓撲優(yōu)化模塊[2-3]，對最初設(shè)計的懸臂梁進行形狀優(yōu)化，根據(jù)形狀優(yōu)化的結(jié)果，建立全參數(shù)化的三維數(shù)模，再借助Workbench中的優(yōu)化模塊對各變量尺寸進行優(yōu)化，最終得到了滿足安全系數(shù)不小于3的強度條件下質(zhì)量更輕的懸臂梁。

1.支撐柱 2.懸臂梁 3.支撐臂 4.支架

1 靜力學分析

1.1 模型的建立

根據(jù)懸臂梁的工作原理，繪制出設(shè)計構(gòu)想簡圖，同時結(jié)合該零件與其他構(gòu)件的配合連接關(guān)系，綜合人機工程學，借助三維設(shè)計軟件建立零件的初始三維示意模型，如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計要求，懸臂梁采用30CrMnSiA加工制造，查機械設(shè)計手冊[4]，得到該材料的屬性為：楊氏模量＝1.96e+11 N/m2、密度＝7.75e+03 kg/m3、泊松比＝0.2。在三維設(shè)計軟件中，給零件賦予材料密度后，測量零件的質(zhì)量約為27.62 kg。

圖2 懸臂梁初始模型

1.2 靜力學分析

將建立好的初始三維模型通過軟件接口導(dǎo)入到ANSYS軟件中進行靜力學分析，保證了三維模型的一致性，讓模擬變得更加真實。

對零件分析發(fā)現(xiàn)，整個外形無凸臺和凹坑、面與面之間平滑過渡，因此網(wǎng)格劃分采用定義網(wǎng)格尺寸的方式進行，綜合計算機的性能和網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為size＝2 mm，劃分網(wǎng)格后最終得到5356092個節(jié)點、3920443個網(wǎng)格單元。

實時監(jiān)測懸臂梁的受力大小，工作時前、后段構(gòu)成一對平衡力，和2個支撐柱一起分擔了發(fā)動機的全部重量。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書闡述，發(fā)動機的質(zhì)量約為1200 kg，因此每根懸臂梁前端所受力約4000 N，經(jīng)測量，前端受力中面（圓柱段軸向中面）到中間鉸接中心面距離為359 mm、后端連接孔中心面與到中間鉸接中心面距離為381 mm，由簡單理論力學知識計算可知，懸臂梁后端受力約為3769.03 N。中間與支架鉸接處添加固定約束，給零件賦予30CrMnSiA的材料屬性后進行強度計算，得到懸臂梁的強度計算云圖，如圖3所示。

可知，初始模型的最大強度為1＝127.8 MPa，查文獻[2]得30CrMnSiA的屈服極限為σ＝885 MPa，計算可得安全系數(shù)[4]1為：

滿足安全系數(shù)不小于3的設(shè)計要求，但此狀態(tài)下質(zhì)量過大，需進一步進行優(yōu)化改進。

2 優(yōu)化設(shè)計

任何機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計都包括結(jié)構(gòu)的總體布局、基本形狀和具體尺寸三個方面[5-6]，對應(yīng)優(yōu)化問題分別為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化三個階段，而這三個優(yōu)化問題分別反映在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段、基本設(shè)計階段和詳細設(shè)計階段完成。

2.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化，又稱幾何優(yōu)化，是在拓撲優(yōu)化的基礎(chǔ)之上，對結(jié)構(gòu)的邊界形狀進行優(yōu)化，通過優(yōu)化調(diào)整邊界幾何曲線改變邊界形狀。

本文借助ANSYS Workbench中的Shape Optimization模塊對懸臂梁進行形狀優(yōu)化[6]。材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分和載荷約束和靜力學分析過程保持一致，設(shè)置優(yōu)化比例為50%，求解運算，得到懸臂梁的形狀優(yōu)化結(jié)果，如圖4所示，紅色區(qū)域為建議刪除部分，即對懸臂梁的強度影響較小的區(qū)域，灰色部分為建議保留部分，即對懸臂梁的強度影響較大的區(qū)域[6-7]。

2.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)的拓撲、形狀確定之后，針對結(jié)構(gòu)具體尺寸（如加強筋的厚度、寬度和慣性矩等物理量）進行的詳細設(shè)計[7-8]。

根據(jù)懸臂梁的形狀優(yōu)化結(jié)果可知，強度影響較小的區(qū)域為懸臂梁左右兩側(cè)面和圓柱段芯部，因此考慮在零件左右兩側(cè)面上對稱挖凹槽并設(shè)置加強筋、同時在圓柱段芯部鉆減輕孔的方式來完成減重。其中零件壁厚、加強筋厚度和減輕孔尺寸的最優(yōu)數(shù)值確定，還需要進行進一步的探究。

圖4 形狀優(yōu)化結(jié)果

利用三維建模軟件，并根據(jù)形狀優(yōu)化結(jié)果對模型重新進行全參數(shù)化建模，并將加強筋的厚度參數(shù)變量設(shè)置為DS_JB，懸臂梁的中間壁厚參數(shù)變量設(shè)置為DS_BH（＝懸臂梁總厚度60 mm－凹槽的深度參數(shù)變量DS_S），側(cè)面上的減輕孔1的參數(shù)變量設(shè)置為DS_K1，圓柱軸段上的減輕孔2的參數(shù)變量設(shè)置為DS_K2。

將參數(shù)化建模完成后的三維模型通過無縫關(guān)聯(lián)接口導(dǎo)入ANSYS中進行多目標的優(yōu)化設(shè)計[9-12]。

（1）設(shè)定優(yōu)化目標

將懸臂梁的質(zhì)量Mass和由Equivalent Stress探測得到的計算結(jié)果中最大的強度值Maximum設(shè)定為優(yōu)化目標。

（2）試驗設(shè)計及靈敏度分析

設(shè)定各參數(shù)變量的變化范圍，如表1所示。設(shè)定每個參數(shù)變量的采用數(shù)目為100，得到設(shè)計變量對優(yōu)化目標的柱狀靈敏度圖，如圖5所示。可知，設(shè)計變量DS_JB和DS_S對質(zhì)量和強度這兩個優(yōu)化目標的敏感性最大，DS_K1對兩個優(yōu)化目標的敏感性最差，DS_K2對兩個優(yōu)化目標的敏感性居于中間。

表1 各參數(shù)變量的范圍（單位：mm）

圖5 設(shè)計變量對優(yōu)化目標的靈敏度

（3）實施優(yōu)化并確定最優(yōu)設(shè)計

圖6 設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合本文研究的目的是在滿足強度條件下獲得最輕質(zhì)量的懸臂梁，易知Candidate A為最優(yōu)方案，此時各參數(shù)變量值滿足：DS_JB＝7.39 mm，DS_K1＝26.573 mm、DS_K2＝29.65 mm、DS_S＝25.85 mm，得到目標函數(shù)最小質(zhì)量為＝13.489 kg，且此時的強度為2＝232.48 MPa，計算安全系數(shù)[4]2為：

強度仍然滿足設(shè)計要求，但此時零件的質(zhì)量較初始值大大減小。根據(jù)此優(yōu)化數(shù)據(jù)對三維數(shù)模進行修改，得到零件最終的三維模型，如圖7所示。

3 實物驗證

對最終優(yōu)化過后的零件進行工藝分析，繪制出合理的工藝路線圖：備料→預(yù)備熱處理→銑工規(guī)方→超聲波探傷→數(shù)控粗加工→最終熱處理→修基準→數(shù)控精加工→車工→數(shù)控去工藝頭→鉗工去毛刺、銳邊→磁粉探傷→表面處理→終檢→入庫。

根據(jù)上述工藝路線圖，編制出詳細的工藝加工文件后進行機械加工，得到懸臂梁的實物，經(jīng)稱量，該零件的實際質(zhì)量為13.37 kg，較優(yōu)化設(shè)計前減少了14.25 kg、減幅達51.59%。

將生產(chǎn)出的實物通過緊固件裝配成部裝，再裝配到發(fā)動機安裝車上，如圖8所示，通過發(fā)動機裝機試驗測試，滿足強度和剛度要求。

圖8 發(fā)動機安裝車部裝實物圖

4 結(jié)論

（1）在產(chǎn)品概念設(shè)計階段，根據(jù)懸臂梁的工作原理，結(jié)合結(jié)構(gòu)的總體布局，綜合人機工程學，建立出零件的初始三維模型。

（2）在初始三維模型基礎(chǔ)上，利用ANSYS Workbench軟件對零件進行形狀優(yōu)化，找到了對強度影響較小的區(qū)域為懸臂梁左右兩側(cè)面和圓柱段芯部，即找到了形狀優(yōu)化的方向。

（3）根據(jù)形狀優(yōu)化的指導(dǎo)結(jié)果，在三維軟件中對懸臂梁進行全參數(shù)化的建模，在ANSYS Workbench環(huán)境中對其進行多目標的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了各變量參數(shù)尺寸的最優(yōu)，達到了在質(zhì)量最小的情況下保證零件的強度安全系數(shù)不小于3的設(shè)計要求。

（4）根據(jù)最終實物稱量，較優(yōu)化設(shè)計前減少了14.25 kg、減幅達51.59%。

本文所述優(yōu)化設(shè)計方法為今后該類型的零件設(shè)計提供了一定的參考。

[1]高東強，毛志云，張功學，等. 基于ANSYS Workbench的DVG850工作臺拓撲優(yōu)化[J]. 機械設(shè)計與制造，2011（2）：62-63.

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[4]聞邦椿. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[5]徐灝. 安全系數(shù)和許用應(yīng)力[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1981.

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[9]楊姝. 復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化若干問題研究[D]. 大連：大連理工大學，2007.

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Design and Optimization of Cantilever Beam for Engine Installation Car

WANG Chuandong，TANG Yu，YIN Guigang，LI Ancheng，QIAN Junhong

( Chengdu Kaidi Precision Technology Co., Ltd., Chengdu610041, China )

As one of the most important bearing members on the engine installation car, the cantilever beam must have sufficient strength and rigidity, at the same time, which ensure the light weight, so that which finally ensure the normal use and safety of the engine installation car. By analyzing the working principle of the cantilever beam, a preliminary 3D model of the part is established. By setting the boundary conditions and adding the load, the finite element numerical simulation technology is used for the analysis, The results show that the strength meets the requirements, but the quality is too large, and further optimization and improvement are needed. In this paper, the shape and size of the part are optimized by the topology optimization module in the workbench environment, Finally, the cantilever beam with lighter weight is obtained under the condition of strength. After weighing in real thing, the actual quality of the part is reduced by 14.25 kg compared with the design. The reduction rate is 51.59%, which provides a certain reference for the design of such parts in future.

cantilever beam；static structural；strength；optimization；ANSYS Workbench

TH16；TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.011

1006－0316 (2020) 02－0064－05

2019－07－15

四川省科技計劃項目（2018GZ0476）

王川東（1989－），男，四川通江人，工學碩士，助理工程師、技術(shù)員，主要研究方向為現(xiàn)代機械設(shè)計方法及制造技術(shù)。