王茂兵

（安徽合力股份有限公司工業(yè)車輛安徽省重點實驗室，合肥230601）

基于Hypermesh的紙卷夾優(yōu)化設計

王茂兵

（安徽合力股份有限公司工業(yè)車輛安徽省重點實驗室，合肥230601）

根據(jù)紙卷夾工作狀態(tài)、夾持物體形狀，初步確定其結構，整體進行CAE三維建模，導入Hyperworks軟件進行靜力學分析，并通過分析的結果進行尺寸優(yōu)化設計，從而降低了紙卷夾的質量，提高了紙卷夾的綜合承載能力。

紙卷夾；優(yōu)化設計

0 引言

近年來隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展，叉車等搬運設備的使用已經(jīng)逐步代替了人力搬運。現(xiàn)今的叉車是以貨叉為主要工作裝置，其他簡單、特殊的工作裝置為輔助手段。當遇到筒狀物如紙卷、油桶等物體，就需要專業(yè)的屬具，如紙卷夾來實現(xiàn)貨物的快速搬運，并可減少對貨物外形的損壞。根據(jù)造紙行業(yè)的統(tǒng)計，使用普通不帶紙卷夾的叉車，紙卷的破損率高達15%，并且存在二次搬運的弊端。根據(jù)國外公司的統(tǒng)計，在不到1年的時間內(nèi)，破損紙卷的損失就抵上一臺屬具的價格，而購買紙卷夾且使用頻繁的用戶會在更短的時間內(nèi)收回成本。

1 結構設計

1.1 紙卷夾組成

紙卷夾主要有由液壓馬達1、減速箱2、滑架3、夾板4、活動臂5、夾持油缸6、回轉支承7、固定臂8組成，見圖1。

液壓馬達1通過減速箱2驅動回轉支承7的回轉圈，回轉支承7的固定圈與滑架3連接，回轉支承7的回轉圈與固定臂8連接，活動臂5鉸支在固定臂8上，夾持油缸6的兩端分別固定在活動臂5和固定臂8上，當液壓油缸6有壓力時，活動臂5運動來夾持紙卷，當液壓馬達1有壓力時，整個紙卷夾隨著固定臂8和活動臂5一起轉動，夾板4分別安裝在活動臂5和固定臂8上，用來和紙卷接觸，而不損傷紙卷。

圖1 紙卷夾構成

2.2 夾持范圍

本紙卷夾可以夾持直徑330～1 150 mm的紙卷，紙卷重1 300 kg。如圖2。

3 受力分析

當夾持圓筒直徑為1150mm時，紙卷夾承載1300kg，在這種狀態(tài)下，對紙卷夾受力分析如圖3。

所需夾持力

f為夾板與紙卷的綜合摩擦系數(shù)，由于夾板表面的特殊處理，f>0.8；n為安全系數(shù)，取值范圍1.5～2.5，本文取最大值n＝2.5，F(xiàn)max＝n·G/f=40625N。

圖2 夾持范圍

圖3 最大夾持力受力示意圖

D＝10.44 cm，取整為105 mm。p為工作壓力16.0 MPa，D為夾持油缸直徑。

4 CAE分析

4.1 水平狀態(tài)分析

旋轉抱夾綜合承載1.3 t。在水平加持工況下，抱夾長臂承受40 625 N支撐反力，方向垂直于夾板。

短臂承受40 625 N的支撐反力同時也承受13 000 N的貨物重量，方向也是垂直于夾板。

圖4 水平夾持工況抱夾載荷圖

表1 各零件應力值 MPa

約束上滑塊水平面的y向移動自由度，傾斜面的z向移動自由度，同時約束貨叉架下橫梁在底板z向移動自由度。

考慮1.25倍動載系數(shù)，水平夾持工況下模型的加載方式如圖4所示。

4.2 豎直狀態(tài)分析

由于旋轉抱夾在使用過程中可以360°自由旋轉，因此其豎直夾持工況下的應力分布情況也應該模擬分析。

在豎直夾持工況下，抱夾長臂同樣承受40 625 N支撐反力，方向也垂直于夾板，另外還承受豎直向上的摩擦力6 500 N。

短臂承受40 625 N的支撐反力同時也承受約豎直向上的摩擦力6 500 N。

約束上滑塊水平面的y向移動自由度，傾斜面的z向移動自由度，同時約束貨叉架下橫梁在底板z向移動自由度。

圖5 豎直夾持工況抱夾載荷圖

考慮1.25倍動載系數(shù)，豎直夾持工況下模型的加載方式如圖5所示。

5 尺寸優(yōu)化設計

5.1 初步改進方案

底板和安裝底座的應力值在300 MPa以內(nèi)，并且在實際建模時底板上的結構有所刪除，因此實際的應力值可能還會小一些，所以底板和安裝底座選用Q345材料。另外尺寸統(tǒng)一采用16 mm厚的板材，這樣可以減少原材料的種類。

表2 各零件應力值MPa

在兩種工況下油缸支座的應力都比較大，考慮到它是直接受力件，因此把它的厚度增加10 mm，同時材料選用Q345。

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)，其余部件的結構材料選用Q235A。

5.2 尺寸優(yōu)化

由于紙卷夾的自重直接影響到整機的綜合承載能力，因此評價紙卷夾的自重顯得非常重要，我們將初步設計的紙卷夾自重與國外兩大屬具制造商生產(chǎn)的同類型同噸位紙卷夾進行了比較。

通過對比可以看出，初期設計方案自重相比較重，因此利用Hyperworks提供的優(yōu)化工具Optistruct對現(xiàn)有結構進行優(yōu)化。

5.2.1 Optistruct結構優(yōu)化設計方法簡介

Optistruct是基于有限元法的結構優(yōu)化設計工具，它提供拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及自由尺寸和自由形狀優(yōu)化，這些方法被廣泛應用于產(chǎn)品開發(fā)過程的各個階段。

5.2.2 結構優(yōu)化的數(shù)學模型及名詞描述

表3 屬具自重對比表 kg

優(yōu)化三要素：1）目標（Objective）優(yōu)化設計的目的就是要求所選的設計變量使目標函數(shù)達到最佳值min（max）f（xi）；2）設計變量（Design Variables）：是在優(yōu)化過程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)xi，i=1，2，3，…，n。3）設計約束（Design Constraints）優(yōu)化設計的約束值是對設計變量取值的限制，gj（x）≤0，j=1，…，m。

5.2.3 紙卷夾的尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是Optistruct中提供的另一種優(yōu)化設計，是設計人員對模型形狀有了一定的設計思路后進行的一種細節(jié)設計，它是通過改變結構單元的屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性等，以達到一定的設計要求。

從紙卷夾的初期方案來看，長臂、短臂、長短臂外弧板均選用10 mm材料為Q420的板材，且為整體結構使用量最大的一種板材，而分析結果顯示長短臂的應力最大。因此在保證長、短臂應力滿足條件的前提下，對此種板材厚度進行優(yōu)化，可能大幅降低結構的自重。

優(yōu)化問題描述如下：

響應：體積響應，von mises應力響應；

設計目標：體積最?。w積響應）；

約束：應力小于400MPa（von mises應力響應）；

設計變量：殼單元厚度在5～10 mm之間；

設計空間：長臂、短臂。

1）水平夾持工況尺寸優(yōu)化結果。共進行了8次迭代，查看out文件可以看到：厚度變化范圍從5～8 mm時，通過優(yōu)化找到最佳厚度為6.55 mm。

表4 水平夾持工況分析結果

表5 豎直夾持工況分析結果

2）豎直夾持工況尺寸優(yōu)化結果。共進行了9次迭代，查看out文件可以看到：厚度變化范圍從5～8 mm時，通過優(yōu)化找到最佳厚度為7.654 mm。

兩次優(yōu)化結果的板材厚度分別是6.5mm和7.654mm，考慮現(xiàn)有鋼材品種，最終選取8 mm厚、材料為Q420的材料制作長短臂及長短臂內(nèi)外弧板。

最終優(yōu)化結果紙卷夾結構件質量為305 kg。

5.2.4 優(yōu)化后新方案校核

對優(yōu)化后結果重新建立有限元模型，重新計算校核紙卷夾結構，驗證優(yōu)化結果。從分析結果可以看出，新方案完全符合要求。

5.3 結論

分析結果來看，紙卷夾質量降低53 kg。

預設使用1.5 t叉車安裝紙卷夾，優(yōu)化前紙卷夾質量M=378 kg，水平重心CGH=205 mm，計算得出CN=1 055 kg；優(yōu)化前紙卷夾質量M=325 kg，水平重心CGH=189 mm，計算得出CN=1 098 kg，有效地提高叉車和屬具的綜合承載能力。

［1］ 李芳，凌道盛.平面應力問題的結構拓補優(yōu)化［J］.浙江工業(yè)大學學報，2000，28（3）：220-223.

［2］ Mlejnek H P，Schirrmascher R.An engineer’s approach to optimal material distribution and shape finding［J］.Comput Method Appl Mech Engrg，1993，106（1-2）：1-26.

［3］ 陸植.叉車設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1991.

［4］ 張勝蘭，鄭東黎.基于HyperMesh的結構優(yōu)化設計技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

（編輯啟 迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0073－03

王茂兵（1979—），男，工程師，碩士，從事機械結構設計工作。

2014-02-10