基于ANSYS拓撲優化的泥門插銷輕量化設計研究

潘旭皓

（中交上海航道裝備工業有限公司，上海 200120）

泥門啟閉裝置作為耙吸挖泥船上的核心疏浚裝備之一，起到拋泥、卸泥的作用，是耙吸挖泥船泥艙段的核心組成部分。一套泥門啟閉裝置的好壞直接決定了整船的疏浚性能，而泥門插銷在水上調遣以及突發天氣影響時常用來固定泥門啟閉裝置，防止泥門啟閉裝置松動，保障整個泥艙系統的安全穩定。傳統的泥門插銷形式往往為楔形結構，整體鑄造，這種形式的泥門插銷強度較高且變形量較小，適合水上調遣時使用，然而其重量往往大于150kg，過大的重量常常導致其操作較為困難。隨著泥艙容量的增大，泥門啟閉裝置的結構也逐漸增大，泥門插銷亟待進行輕量化改善，提高其可操作性能。

自21世紀初以來，結構優化的概念得到廣泛的運用。一方面，由于結構優化可以最大限度的減少材料的使用，減少生產成本以及對環境的影響；另一方面，結構優化可以優化材料的分布，最大限度地提高零件的性能。拓撲優化是結構優化的一種形式，拓撲優化是一種根據實際的工況、約束以及性能要求等因素，對指定零件的材料分布進行優化的方法，通過拓撲優化可以得到最優的傳力路徑，以及滿足規定的減少材料量的同時最大化結構剛度的結構形式。

本文基于ANSYS仿真計算平臺，將泥門插銷作為研究對象，綜合考慮輕量化、結構強度以及變形量，旨在得到一種較優的泥門插銷形式，為未來泥門插銷的設計提供參考，為后續的疏浚裝備輕量化設計奠定基礎。此外，輕量化設計在節省材料的同時也有助于環境保護、節能減排，響應 “碳達峰”“碳中和”政策。

1 數學模型

1.1 泥門插銷結構

泥門插銷的結構類似一種楔形結構，其中，2個面為梯形，其余4個面為長方形，該結構的大致外形如圖1所示。該結構上的吊耳、吊環等結構均有助于現場人員操作，便于泥門插銷更好地安放到指定位置。

圖1 泥門插銷結構圖

1.2 泥門插銷受力分析

泥門插銷是船舶水上調遣時的必備鎖緊裝備。其鎖緊后的結構如圖2所示。

圖2 泥門插銷鎖緊狀態結構圖

如圖2所示，泥門插銷在鎖緊時主要的受力為泥門裝置（除液壓油缸）的重力、泥艙內水體對泥門的壓力以及海水作用在泥門上的浮力的合力。泥門插銷的上端受力面積約占泥門插銷上表面面積的54%。

2 研究方法

2.1 強度計算理論

本文主要采用線性靜力學分析方法，計算穩定載荷條件下對泥門插銷結構的影響。此處由于剛體本身的性質，只考慮重力的影響，忽略其他慣性和阻尼效應的影響。通過靜力學分析可以得到由于泥門裝置自身重力、泥艙內的水壓力以及船底的浮力綜合作用下產生的泥門插銷結構的應力、應變以及變形量。

2.2 拓撲優化理論

拓撲優化屬于外形結構優化，是一種分析尋找在載荷作用下最佳材料分布方案的手段。目前，本文主要采用“最大剛度”設計的拓撲優化方法，確保剛度、材料分布以及變形量都處于一個合理的范圍內。該方法是一種在定義域內對材料分布進行優化的數學方法，通過將定義域劃分成多個子區域，借助ansys靜力學分析軟件得到的強度分析結果，按照相應的優化策略（本文以減少泥門插銷質量為目標）從子區域中適當刪減一定的網格，然后通過保留下來的網格進行拓撲優化，通過多次迭代尋找在給定優化策略下的最優解。

3 模型設置

3.1 網格劃分

本文所定義的物理環境為結構分析（Mechanical），每個網格單元的尺寸控制在0.5mm，網格總體控制采用自適應網格，網格整體質量控制在0.2以上。計算模型的網格劃分如圖3所示，網格節點數為171325，網格單元數為108631。

圖3 泥門插銷網格劃分結果

3.2 強度計算邊界條件

本文為線性靜力學強度計算，在材料定義時主要考慮泊松比和楊氏模量。此處，泥門插銷的材料設置如表1所示。

表1 泥門插銷材料設置

本文坐標系采用直角坐標系，只有一個體，不考慮各個面之間的接觸約束以及交界面的影響；考慮重力對泥門插銷的影響，重力加速度方向垂直于泥門插銷的下底面，大小為9.8m/s2；外界對泥門插銷的作用力垂直作用在泥門插銷的上表面，大小此處假定為750kN。由于下底面固定在外界的基座上，此處下底面設置為固定約束，不考慮下底面的變形和位移。最終的邊界條件如圖4所示。

圖4 強度計算邊界條件

3.3 拓撲優化設置

本文采用基于密度的拓撲優化方法，考慮到設計的合理性，上下表面須保持現有造型，即上下表面不進行拓撲優化，只考慮中間部分的拓撲優化。優化目標為最小柔度（最大剛度）。響應約束為保留質量，本文主要進行了保留95%、90%、85%、80%、75%、70%、60%、50%、40%質量（仿真輸入條件）的計算，綜合評估最大應力、最大變形量以及材料去除量，得到最優目標。

4 結果分析

為了有效評估泥門插銷的優化情況，本文通過采用有限元分析計算軟件，結合拓撲優化方法，分析了試塊最大應力σ、試塊最大變形量X與材料去除量R之間的關系。最終計算結果如下。

4.1 材料拓撲優化過程結果分析

圖5是采用有限元軟件仿真計算得到的泥門插銷的拓撲優化演變過程圖，分別計算了材料剩余量R從5%～60%間的結構變化過程。從圖5可以看出，泥門插銷中間部分區域是一個受力較小或者說受力可以被分攤掉的位置。同樣，包括一些邊界位置也是受力較小或者受力容易被均攤到其他地方的位置。從最終的樣式來看，泥門插銷逐漸被優化成拱橋狀，這種拱形設計一方面節省了材料，操作起來更加輕便快捷，另一方面也更加簡潔美觀，更加符合現代設計的理念。

圖5 插銷拓撲優化圖

4.2 材料去除量與最大應力之間的關系

如圖6所示，隨著材料去除量的增加，試塊的最大應力逐漸增大，這也表明了隨著材料去除量的增加，泥門插銷的強度是逐漸下降的，但是總體還是在許用應力以下，在安全范圍以內。此外，從圖6上可以看出，材料增加的最大應力的變化不是線性增長，材料去除量R從0%變化到22%時，斜率較為平緩，從22%變化到35%基本為水平線，從35%之后曲線斜率驟然增大。此處將這種現象定義為一個量變到質變的過程，從0%～22%為低線性增長段，22%～35%為過渡段，35%之后為高線性增長段，當進入高線性增長段后，材料的強度極易超過許用應力，所以在優化設計時盡量不把最優點放置在高線性增長段。

圖6 試塊最大應力與材料去除量關系圖

4.3 材料去除量與最大變形量之間的關系

如圖7所示，隨著材料去除量的增加，試塊的變形量逐漸增大，而且當材料去除量超過35%時，試塊的變形量陡增且變形量相較于原始試塊增加了一個數量級。因此，本文認為當材料去除量小于35%時試塊處于小變形區域，而當材料去除量不小于35%時材料處于大變形區域，而小變形區域，本文認為是一個拓撲優化的安全區域，超過這個區域對于整個裝備的安全性能存在風險。

圖7 試塊最大變形量與材料去除量關系圖

4.4 總結

綜上所述，當材料去除量在22%～35%之間，最大變形量和最大應力均處于安全范圍，而且由于X-R曲線中22%～30%這段的斜率小于30%～35%這段的斜率，б-R曲線中22%～30%這段的斜率基本和30%～35%這段的斜率相似。所以，本文認為22%～30%這段是最適合實際運用的，而且材料去除量越大越好，所以本文認為，30%的材料去除量對于泥門插銷來說是最優的。

5 結語

泥門插銷作為泥門裝置的關鍵裝備之一，其結構存在較大的優化空間，本文通過拓撲優化理論將泥門插銷的重量減少了30%，實現了對泥門插銷的輕量化設計。一方面，這種設計切合時下低碳工業的愿景；另一方面，讓該裝置人工操作起來更加便捷。

隨著如今耙吸挖泥船船型、艙容的不斷增大，疏浚裝備也繼續增大其規格，但是一味增加規格重量容易導致資源材料的分配不合理，本文希望通過針對泥門插銷的輕量化設計為后續的其他疏浚裝備的輕量化設計提供思路，為未來的現代化耙吸挖泥船的建造工作提供一定的理論支撐。