基于ANSYSworkbench的構架結構優化分析

王世海

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明650215）

該構架是關系到大型養路機械作業的關鍵零部件，剛性、阻尼性能是作業的基礎，結構特點決定了大型養路機械的整體布局及作業動態穩定性。樣機生產之前對其虛擬仿真并結構優化設計顯得尤為關鍵，能夠很大程度上減小設計風險，降低試驗成本，提高設計成功率，提高作業動態性能。

1 構架結構特點

構架為焊接箱體結構，主要由線軌安裝槽、面板、連接板、側壁、支撐筋板、底板等組成。通過上頂面與配焊塊連接限制垂向運動，實現拆卸維護，定位鍵槽限制橫向移動，定位靠面限制縱向移動，主要承載前置側掛單元自重，通過橫向導軌及絲杠傳動系統移動實現鎖定與作業沖擊。構架主材質為Q355D，構架計算參數如表1所示。

表1 構架計算參數

2 應用構架強度剛度分析

2.1 應用構架有限元模型

該構架主要由薄板結構拼焊而成，有限元模型如圖1。離散前對焊接坡口、倒角及微小特征進行有限元處理，采用網格Method離散，網格Method離散能有效劃分為n個四面體、m個六面體，能有效避免了因為簡化不合理導致離散失敗的不規則單元。網格Method離散參數如表2所示，網格Method離散結果如圖2所示。

圖1 應用構架有限元模型

圖2 網格Method離散結果

表2 網格離散參數

Workbench模塊提供對網格單元質量檢查，采用EIement Quality法評估，評估結果如圖所示。

該構架網格Method離散EIement Quality Average數值大于0.7。

2.2 應用構架強度剛度計算分析

構架采用空間笛卡爾坐標系，在該坐標系下，根據構架結構特點描述約束并根據表1構架計算參數進行計算，計算分析應用構架強度剛度，計算結果如圖3所示。

圖3 應用構架強度剛度計算結果

應用構架鎖定邊界下總變形5.23×10-2mm，最大等效應力15.303 MPa；作業邊界下總變形4.84×10-2mm，最大等效應力12.642 MPa，最大等效應力遠小于材料屈服強度355 MPa。

3 基于應用構架拓撲優化分析

使用ANSYS Workbench，保留應用構架外形尺寸，實體化進行拓撲分析，邊界選用鎖定邊界，拓撲優化云圖如圖4所示。

圖4 拓撲優化云圖

拓撲優化能在最大限度滿足需要的強度剛度情況下，實現零件內部個性化筋板支撐布局，采用ROmove方式保留個性化參照云圖。

4 基于拓撲優化參數建模、參數迭代分析

使用UG三維建模軟件，根據拓撲云圖對構架進行參數化建模，建模中考慮參數具有傳遞性變化及工藝性，建模后對模型進行有限元清理，建立有限元模型，進行CAD、CAE協同優化。

根據結構優化三要素，采用直接優化篩選法，小步長迭代尋找最優解，結合響應面分析確定結構參數，并將結構參數帶入模型求解校核。在優化過程中，設定參數范圍及樣本數量，系統自動指派樣本數量組合參數進行迭代求解。尺寸優化是最經典的優化技術，也叫參數優化技術，即通過CAE設計變量啟動CAD模型改變，進行CAE參數值下迭代求解。

4.1 優化設計變量

本次優化采用的設計變量為主要板材厚度、連接面寬度，取值范圍如表3所示，優化函數列式如下：

表3 設計變量取值范圍

M為最小值

σ≤220MPa

-0.04≤W≤0.04

式中：

M為應用構架的總重量，初始重量M=3 054 kg；

σ為構架允許最大等效應力；

W為構架最大位移，依據應用構架鎖定邊界優化率大于20%；

K為構架剛度矩陣；

U為構架位移矩陣，

P為構架載荷矩陣。

4.2 響應面分析/直接優化

響應面分析也叫結構響應靈敏度，是計算目標和約束函數值對設計變量的梯度，是觀察參數對主要設計變量的影響情況，稱為靈敏度或敏感度；直接分析是通過篩選法結合樣本數量參數范圍內多次迭代。構架靈敏度圖如圖5所示、雷達圖如圖6所示、優選參數迭代云圖如圖7所示。

圖5 構架靈敏度云圖

圖6 雷達云圖

通過響應面（靈敏度）、雷達圖結合優化目標，確定參數圖如圖7所示。

圖7 優選參數迭代云圖

5 基于參數迭代選用的構架強度剛度分析

基于優選迭代參數，將參數取值整數輸入ug模型，使用相同于應用構架分析計算條件進行校對，結果如圖8所示。

圖8 參數迭代選用的構架強度、剛度計算結果

構架鎖定邊界下總變形3.91×10-2mm，最大等效應力10.276 MPa；作業邊界下總變形3.42×10-2mm，最大等效應力8.53 MPa，最大等效應力遠小于材料屈服強度355 MPa，M=2.73 t靠近目標要求，通過優化滿足優化函數列式。

6 結論

本文討論了構架的結構優化分析，主要由拓撲優化建模、參數迭代選用后計算分析結果優于應用構架，實現了滿足輕量化下強度剛度要求。由以上計算分析驗證了構架結構優化設計的合理性，希望此思路能為今后同類構架設計提供有用的參考。