王茂兵

（安徽合力股份有限公司工業(yè)車輛安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230601）

基于Hypermesh的紙卷夾優(yōu)化設(shè)計(jì)

王茂兵

（安徽合力股份有限公司工業(yè)車輛安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，整體進(jìn)行CAE三維建模，導(dǎo)入Hyperworks軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，并通過(guò)分析的結(jié)果進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低了紙卷夾的質(zhì)量，提高了紙卷夾的綜合承載能力。

紙卷夾；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，叉車等搬運(yùn)設(shè)備的使用已經(jīng)逐步代替了人力搬運(yùn)?，F(xiàn)今的叉車是以貨叉為主要工作裝置，其他簡(jiǎn)單、特殊的工作裝置為輔助手段。當(dāng)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(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的快速搬運(yùn)，并可減少對(duì)貨物外形的損壞。根據(jù)造紙行業(yè)的統(tǒng)計(jì)，使用普通不帶紙卷夾的叉車，紙卷的破損率高達(dá)15%，并且存在二次搬運(yùn)的弊端。根據(jù)國(guó)外公司的統(tǒng)計(jì)，在不到1年的時(shí)間內(nèi)，破損紙卷的損失就抵上一臺(tái)屬具的價(jià)格，而購(gòu)買紙卷夾且使用頻繁的用戶會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)收回成本。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 紙卷夾組成

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

液壓馬達(dá)1通過(guò)減速箱2驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承7的回轉(zhuǎn)圈，回轉(zhuǎn)支承7的固定圈與滑架3連接，回轉(zhuǎn)支承7的回轉(zhuǎn)圈與固定臂8連接，活動(dòng)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(dòng)臂5和固定臂8上，當(dāng)液壓油缸6有壓力時(shí)，活動(dòng)臂5運(yùn)動(dòng)來(lái)夾持紙卷，當(dāng)液壓馬達(dá)1有壓力時(shí)，整個(gè)紙卷夾隨著固定臂8和活動(dòng)臂5一起轉(zhuǎn)動(dòng)，夾板4分別安裝在活動(dòng)臂5和固定臂8上，用來(lái)和紙卷接觸，而不損傷紙卷。

圖1 紙卷夾構(gòu)成

2.2 夾持范圍

本紙卷夾可以?shī)A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(dāng)夾持圓筒直徑為1150mm時(shí)，紙卷夾承載1300kg，在這種狀態(tài)下，對(duì)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(zhuǎn)抱夾綜合承載1.3 t。在水平加持工況下，抱夾長(zhǎng)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(shí)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(yīng)力值 MPa

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

考慮1.25倍動(dòng)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(zhuǎn)抱夾在使用過(guò)程中可以360°自由旋轉(zhuǎn)，因此其豎直夾持工況下的應(yīng)力分布情況也應(yīng)該模擬分析。

在豎直夾持工況下，抱夾長(zhǎng)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(shí)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(dòng)自由度，傾斜面的z向移動(dòng)自由度，同時(shí)約束貨叉架下橫梁在底板z向移動(dòng)自由度。

圖5 豎直夾持工況抱夾載荷圖

考慮1.25倍動(dòng)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(shè)計(jì)

5.1 初步改進(jìn)方案

底板和安裝底座的應(yīng)力值在300 MPa以內(nèi)，并且在實(shí)際建模時(shí)底板上的結(jié)構(gòu)有所刪除，因此實(shí)際的應(yīng)力值可能還會(huì)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(yīng)力值MPa

在兩種工況下油缸支座的應(yīng)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(shí)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(jié)構(gòu)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(jī)的綜合承載能力，因此評(píng)價(jià)紙卷夾的自重顯得非常重要，我們將初步設(shè)計(jì)的紙卷夾自重與國(guó)外兩大屬具制造商生產(chǎn)的同類型同噸位紙卷夾進(jìn)行了比較。

通過(guò)對(duì)比可以看出，初期設(shè)計(jì)方案自重相比較重，因此利用Hyperworks提供的優(yōu)化工具Optistruct對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

5.2.1 Optistruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

Optistruct是基于有限元法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，它提供拓?fù)鋬?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(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段。

5.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型及名詞描述

表3 屬具自重對(duì)比表 kg

優(yōu)化三要素：1）目標(biāo)（Objective）優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是要求所選的設(shè)計(jì)變量使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最佳值min（max）f（xi）；2）設(shè)計(jì)變量（Design Variables）：是在優(yōu)化過(guò)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(shè)計(jì)約束（Design Constraints）優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束值是對(duì)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)人員對(duì)模型形狀有了一定的設(shè)計(jì)思路后進(jìn)行的一種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，它是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)單元的屬性，如殼單元的厚度、梁?jiǎn)卧臋M截面屬性等，以達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求。

從紙卷夾的初期方案來(lái)看，長(zhǎng)臂、短臂、長(zhǎng)短臂外弧板均選用10 mm材料為Q420的板材，且為整體結(jié)構(gòu)使用量最大的一種板材，而分析結(jié)果顯示長(zhǎng)短臂的應(yīng)力最大。因此在保證長(zhǎng)、短臂應(yīng)力滿足條件的前提下，對(duì)此種板材厚度進(jìn)行優(yōu)化，可能大幅降低結(jié)構(gòu)的自重。

優(yōu)化問(wèn)題描述如下：

響應(yīng)：體積響應(yīng)，von mises應(yīng)力響應(yīng)；

設(shè)計(jì)目標(biāo)：體積最?。w積響應(yīng)）；

約束：應(yīng)力小于400MPa（von mises應(yīng)力響應(yīng)）；

設(shè)計(jì)變量：殼單元厚度在5～10 mm之間；

設(shè)計(jì)空間：長(zhǎng)臂、短臂。

1）水平夾持工況尺寸優(yōu)化結(jié)果。共進(jìn)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(shí)，通過(guò)優(yōu)化找到最佳厚度為6.55 mm。

表4 水平夾持工況分析結(jié)果

表5 豎直夾持工況分析結(jié)果

2）豎直夾持工況尺寸優(yōu)化結(jié)果。共進(jìn)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(shí)，通過(guò)優(yōu)化找到最佳厚度為7.654 mm。

兩次優(yōu)化結(jié)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(zhǎng)短臂及長(zhǎng)短臂內(nèi)外弧板。

最終優(yōu)化結(jié)果紙卷夾結(jié)構(gòu)件質(zhì)量為305 kg。

5.2.4 優(yōu)化后新方案校核

對(duì)優(yōu)化后結(jié)果重新建立有限元模型，重新計(jì)算校核紙卷夾結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果。從分析結(jié)果可以看出，新方案完全符合要求。

5.3 結(jié)論

分析結(jié)果來(lái)看，紙卷夾質(zhì)量降低53 kg。

預(yù)設(shè)使用1.5 t叉車安裝紙卷夾，優(yōu)化前紙卷夾質(zhì)量M=378 kg，水平重心CGH=205 mm，計(jì)算得出CN=1 055 kg；優(yōu)化前紙卷夾質(zhì)量M=325 kg，水平重心CGH=189 mm，計(jì)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(yīng)力問(wèn)題的結(jié)構(gòu)拓補(bǔ)優(yōu)化［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［4］ 張勝蘭，鄭東黎.基于HyperMesh的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

2014-02-10