基于OptiStruct的高巷道掘錨一體機(jī)截割臂的多工況拓?fù)鋬?yōu)化

楊 梅

中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410100

近年來(lái)，高巷道掘錨一體機(jī)在煤礦領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中截割裝置作為掘錨一體機(jī)的核心零部件，承擔(dān)著進(jìn)尺與割煤的重任[1]。巷道加高，截割臂加長(zhǎng)，在環(huán)境惡劣、受力復(fù)雜的工況下無(wú)疑考驗(yàn)著零件的強(qiáng)度，因此驗(yàn)證截割臂的力學(xué)性能和優(yōu)化結(jié)構(gòu)成為設(shè)計(jì)前期必不可少的工作，同時(shí)，減輕截割臂的質(zhì)量對(duì)降低成本和提高可靠性具有重要意義，最終達(dá)到提高巷道采掘效率和降低生產(chǎn)成本的目的[2]。

筆者采用 HyperMesh 軟件對(duì)截割臂進(jìn)行前處理，利用 OptiStruct 求解器對(duì)不同工況下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，最后通過(guò) OptiStruct 求解器對(duì)截割臂沿不同拔模方式進(jìn)行多工況拓?fù)鋬?yōu)化。以截割臂為設(shè)計(jì)空間，網(wǎng)格密度為設(shè)計(jì)變量，體積分?jǐn)?shù) (volume frac) 為約束條件，以加權(quán)柔度 (weighted comp) 最小為優(yōu)化目標(biāo)，得到同時(shí)滿足偏載掏槽、偏載下拉和截割臂舉升 3 種極限工況下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并再次對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析后與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，確定最終優(yōu)化方案[3]。

1 拓?fù)鋬?yōu)化的原理

拓?fù)鋬?yōu)化是指在一個(gè)確定的設(shè)計(jì)空間區(qū)域內(nèi)尋求結(jié)構(gòu)內(nèi)部非實(shí)體區(qū)域位置和數(shù)量的最佳配置，解決材料分布問(wèn)題，從而使結(jié)構(gòu)能在滿足特定約束條件下，將外載荷傳遞到結(jié)構(gòu)支撐位置，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的某種形態(tài)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。目前主要有三大類拓?fù)鋬?yōu)化方法：均勻化方法、相對(duì)密度法和進(jìn)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化法[4]。筆者采用相對(duì)密度法，通過(guò)引入懲罰因子對(duì)中間密度值進(jìn)行懲罰，使中間密度值向 0～ 1 兩端聚集，使連續(xù)變量?jī)?yōu)化模型能很好地逼近 0～ 1 離散變量的優(yōu)化模型[5]。OptiStruct 軟件中的拓?fù)鋬?yōu)化采用的是 SIMP模型。

2 截割臂多工況拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程

2.1 截割臂工況及受載情況

掘錨一體機(jī)截割裝置完整的工作循環(huán)由掏槽截割、下拉截割、拉底和舉升截割臂 4 個(gè)動(dòng)作組成。根據(jù)以往對(duì)截割裝置在 4 種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真結(jié)果判斷，相對(duì)全斷面受載情況，50% 斷面受載 (即偏載)更為惡劣。

(1) 偏載掏槽截割工況 截割臂通過(guò)舉升液壓缸到達(dá)受力最大的狀態(tài) (即截割臂與水平面夾角為35°)，掏槽液壓缸驅(qū)動(dòng)滑移架向前移動(dòng)，推動(dòng)截割滾筒前行進(jìn)行煤壁掏槽作業(yè)。該工況截割裝置受到的主要載荷為截割滾筒最大轉(zhuǎn)矩 101 kN·m 和掏槽液壓缸推力 870 kN。

(2) 偏載下拉截割工況 掏槽液壓缸全部伸出后，截割滾筒完成掏槽，舉升液壓缸收縮，驅(qū)動(dòng)截割臂向下移動(dòng)，進(jìn)行下拉截割煤壁。該工況截割裝置受到的主要載荷為截割滾筒最大轉(zhuǎn)矩 101 kN·m 和舉升液壓缸收縮對(duì)截割臂產(chǎn)生的拉力 550 kN。

(3) 拉底工況 下拉截割到最低位置時(shí)，掏槽液壓缸驅(qū)動(dòng)滑移架退回，帶動(dòng)截割滾筒向后移動(dòng)，將地面浮煤刮到鏟板星輪上。由于此工況主要為刮浮煤，外載較小，不做重點(diǎn)考慮。

(4) 舉升截割臂工況 掏槽液壓缸回縮到最后端，舉升液壓缸伸出，截割臂舉升到最高位置，同時(shí)整機(jī)前移，為下一個(gè)掏槽截割做準(zhǔn)備。期間截割臂拉底后的水平狀態(tài)即為截割臂受力最大的狀態(tài)，受到的主要載荷為截割裝置的自身重力G的 1.2 倍，即1.2G。

3 種極限工況受載圖如圖 1 所示。

圖1 3 種極限工況受載圖Fig.1 Loading sketch in three extreme working conditions

通過(guò)分析截割臂 4 種工況受載情況，對(duì)偏載掏槽截割、偏載下拉截割及舉升 3 種工況進(jìn)行多工況拓?fù)鋬?yōu)化。

2.2 確定拓?fù)鋬?yōu)化空間

在原有截割臂的輪廓范圍內(nèi)預(yù)留截割電動(dòng)機(jī)放置空間，銷軸孔位置和舉升液壓缸耳座為非設(shè)計(jì)空間，其他輪廓內(nèi)空間均為拓?fù)鋬?yōu)化空間，優(yōu)化模型網(wǎng)格尺寸取 25 mm，如圖 2 所示。

圖2 截割臂拓?fù)淇臻gFig.2 Topological space of cutting arm

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化響應(yīng)設(shè)置

分別定義體積分?jǐn)?shù) (volume frac，即設(shè)計(jì)空間可去除體積的百分比) 約束條件和加權(quán)柔度 (weighted comp，即剛度的倒數(shù)) 優(yōu)化目標(biāo) 2 個(gè)響應(yīng)。以保留設(shè)計(jì)空間 30%的體積為約束條件，以加權(quán)柔度最小為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化，即在偏載掏槽、偏載下拉和舉升截割臂 3 種工況下整體剛度最大。

2.4 拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)設(shè)置

(1) 棋盤格參數(shù)設(shè)置 最小成員 (MINDIM) 設(shè)置為網(wǎng)格尺寸的 2 倍，取 50；最大成員 (MAXDIM) 設(shè)置為 100；設(shè)置棋盤格選項(xiàng)，設(shè)置控制棋盤格現(xiàn)象；離散參數(shù) (DISCRETE) 設(shè)置為 2。

(2) 制造參數(shù)設(shè)置 拔模方向設(shè)置，分別從沿截割臂寬度方向和沿截割臂厚度方向拔摸進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，從 3 種優(yōu)化結(jié)果中觀察材料分布規(guī)律進(jìn)行優(yōu)選。

(3) 組模式設(shè)置 截割臂和滑移架均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此組模式設(shè)置為左右鏡像對(duì)稱。

(4) 優(yōu)化過(guò)程設(shè)置 最大迭代步 (DESMAX) 設(shè)置為 100，即如果在 100 步內(nèi)不收斂，最大計(jì)算迭代到 100 步；單元最小密度 (MINDENS) 設(shè)置為 50；收斂容差 (OBJTOL) 設(shè)置為 0.005。

3 截割臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

3.1 沿截割臂寬度方向拔模結(jié)果分析

沿截割臂寬度方向拔模的拓?fù)鋬?yōu)化，經(jīng)過(guò) 31 步迭代達(dá)到收斂，收斂曲線如圖 3 所示。

圖3 沿截割臂寬度方向拔模的收斂曲線Fig.3 Convergence curve of drafting along width direction of cutting arm

在HyperView 中查看整體模型優(yōu)化結(jié)果，讀取拓?fù)浣Y(jié)果中最后一個(gè)迭代密度分布圖，如圖 4 所示。

圖4 沿截割臂寬度方向拔模拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.4 Topological optimization results of drafting along width direction of cutting arm

由圖 4 可以得到以下結(jié)論：

(1) 截割臂上下蓋板對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大；

(2) 截割臂前端兩側(cè)的雙板可保留，但可以去除大部分材料，可以去除中間立板，加強(qiáng)外側(cè)立板；

(3) 截割臂中間部位橫隔板需要保留。

3.2 沿截割臂厚度方向拔模結(jié)果分析

沿截割臂厚度方向拔模的拓?fù)鋬?yōu)化，經(jīng)過(guò) 23 步迭代達(dá)到收斂，收斂曲線如圖 5 所示。

圖5 沿截割臂厚度方向拔模的收斂曲線Fig.5 Convergence curve of drafting along thickness direction of cutting arm

在HyperView 中查看整體模型優(yōu)化結(jié)果，讀取拓?fù)浣Y(jié)果中最后一個(gè)迭代密度分布圖，如圖 6 所示。

圖6 沿截割臂厚度方向拔模拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.6 Topological optimization results of drafting along thickness direction of cutting arm

由圖 6 可以得到以下結(jié)論：

(1) 截割臂兩側(cè)立板和上蓋板對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大；

(2) 截割臂下蓋板后側(cè)對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，可適當(dāng)去除材料；

(3) 截割臂內(nèi)側(cè)前部原有的雙立板中的內(nèi)側(cè)立板對(duì)整體剛度和強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，可以去除；

(4) 截割臂中間部位橫隔板在舉升液壓缸座附近，需要保留。

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果重塑

綜合截割臂 2 種拔模方向的拓?fù)浣Y(jié)果，結(jié)合截割臂的實(shí)際工作空間，考慮加工工藝要求及成本經(jīng)濟(jì)性限制，確定滿足截割臂 3 個(gè)極限工況的最終優(yōu)化方案，如圖 7 所示。

圖7 截割臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.7 Topological optimization results of cutting arm

(1) 截割臂取消前側(cè)內(nèi)立板，外側(cè)板厚度由 40 mm 增加到 50 mm；

(2) 截割臂中間部位橫隔板厚度由 50 mm 增加到60 mm；

(3) 上蓋板在與滑移架銷接孔附近做圓弧倒角；

(4) 下蓋板挖三角形減重孔。

4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)分別計(jì)算截割裝置在偏載掏槽、偏載下拉和舉升截割臂 3 種工況下的受力，與原結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷優(yōu)化效果。優(yōu)化前后對(duì)比如表 1 所列。

表1 截割臂優(yōu)化前后對(duì)比Tab.1 Contrast of cutting arm before and after optimization

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)掘錨一體機(jī)截割臂進(jìn)行了 2 種不同拔模方式的多工況拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后結(jié)果與原結(jié)構(gòu)分析對(duì)比可知，截割臂應(yīng)力雖略有增加，但仍有較大的安全系數(shù) (母材許用應(yīng)力為 330 MPa)，并且消除了與滑移架連接銷軸附近和截割臂內(nèi)部應(yīng)力集中點(diǎn)，同時(shí)較原結(jié)構(gòu)減少質(zhì)量約 600 kg (降低 11.3%)。結(jié)果表明，基于OptiStruct 軟件在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，對(duì)服役結(jié)構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，找到最佳優(yōu)化方案，對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期、降低成本和提高產(chǎn)品可靠性有著重要的意義。