基于Hyper wor ks 的底盤剛度優化分析

裴娟苗，許富青

（湖南三一快而居住宅工業有限公司研究院，長沙410011）

1 優化計算

1.1 尺寸優化

如圖1 所示，某款成熟底盤主要由支腿側板、前加強板、長封板、加強圓鋼、外折彎槽鋼和支腿頂板組成（見圖1）。

圖1 某款成熟底盤結構

為了采用Hyperworks 對此底盤進行優化計算，將各板厚均由設計變量代替，即設支腿側板為DV1，前加強板為DV2，長封板為DV3，加強圓鋼為DV4，外折彎槽鋼為DV5，支腿頂板為DV6。將板厚定義為設計變量，將底盤剛度不低于原結構定義為約束條件，將總質量最小定義為優化目標[1～3]。以75°～135° 5 個姿態為計算工況，采用尺寸優化計算結果如表1 中優化值1 列所示。

表1 尺寸優化計算結果mm

由表1 數據可知，支腿板厚對此底盤的剛度影響有限，在尺寸優化中已由15mm 減小到5mm，支腿質量相比于原結構下降了60%。大梁外折彎槽鋼與長封板厚度基本沒變，但加強圓鋼的尺寸被大幅度增加。此計算結果也說明加強圓鋼處的扭轉剛度還需要繼續加強。

為了驗證經過尺寸優化后的底盤結構的強度是否達標，本文對尺寸優化后的結構進行了強度分析。分析結果顯示，經過尺寸優化后的底盤結構，大片應力均在400MPa 以下（底盤材料為SG1000），說明支腿的厚度優化減薄后，并不影響該底盤的總體強度。圖2 為尺寸優化后的底盤在135°工況時的受力分析云圖。

圖2 尺寸優化后的底盤受力分析云圖

將約束條件定義為底盤剛度提升2 倍，利用與上面相同的優化方法，對板厚進行優化，所得結果如表1 中優化值2 列所示。

由表可見，當底盤扭轉剛度提升2 倍時，支腿板厚依然被減薄至5mm，但大梁的折彎槽鋼與長封板厚度基本也提升了2 倍。顯然這種優化方案并不經濟，在增加剛度的情況下，底盤的質量也成倍增加。由此可知，如果在不改變底盤主體結構的前提下，直接通過板厚的改變提升底盤的扭轉剛度并不可行。所以，本文后續在對此底盤進行尺寸優化的基礎上，采用拓撲優化[4，5]的辦法繼續尋求結構優化途徑。

1.2 拓撲優化

由尺寸優化的結果可知，減薄支腿板材厚度時，加強圓鋼的尺寸得到了大幅度的增加。此計算結果說明，要提升底盤的扭轉剛度，提高加強圓鋼處的結構靈敏度比增加支腿的板材厚度可行。為了更有效地提升底盤剛度，本文對影響底盤剛度靈敏度的較高結構處進行了拓撲優化，尋求在75°～135°工況下的最優傳力路徑。

如圖3 所示，在底盤剛度薄弱處，增加網格，將大梁連接為一個整體。將增加的單元作為優化對象，將底盤的剛度提升2 倍作為約束條件，將底盤總質量最小作為優化目標。

在75°～135°工況下，運行計算可得最優傳力路徑如圖4 所示。

圖3 增加網格后的單元

圖4 最優傳力路徑

沿此路徑對底盤加強后，底盤整體剛度如表2 所示。由表2 可知，在原結構上采用拓撲優化計算后，實際的扭轉剛度提升了2 倍以上。

表2 底盤整體剛度mm

依據尺寸優化方案，修改實體設計后，支腿梁減重210kg。由拓撲優化所得傳力路徑增加斜筋后，實際質量增加了250kg。結合尺寸優化與拓撲優化的設計方案，估算底盤增加的總質量為50kg（考慮全工況計算，實際增加質量為100kg）。即結合尺寸優化與拓撲優化的計算結果，在底盤質量增加100kg 的前提下，該底盤的扭轉剛度能提升2 倍以上。

2 結論

利用有限元分析手段，對目前上市銷售的某款工程機械底盤進行了優化計算的詳細分析，嘗試尋求提升剛度的最優方案。通過本文優化計算后可得如下結論：

1）該底盤受力狀態良好，且支腿板材厚度可以由15mm更改為5mm。

2）該底盤扭轉剛度薄弱處為“加強圓鋼處”，沿本文的優化路徑進行加強后，該底盤的扭轉剛度能提升2 倍以上。

3）本文的結構優化思路以及計算方法對以后的新品開發、結構優化有一定的借鑒意義。