朱志輝，陳晨，王金剛

（1.河北工業(yè)大學后勤管理處，天津 300130；2.河北工業(yè)大學機械學院，天津 300130）

攪拌運輸車前支架的優(yōu)化設計研究

朱志輝1，陳晨2，王金剛2

（1.河北工業(yè)大學后勤管理處，天津 300130；2.河北工業(yè)大學機械學院，天津 300130）

攪拌運輸車是商用混凝土運輸?shù)睦硐牍ぞ撸疄榱诉\輸安全起見，我國設計的混凝土攪拌運輸車往往存在著結(jié)構(gòu)偏重、整體剛度過大的缺陷，增加了制造成本和使用成本．為了解決該問題，首先，建立了某攪拌車前支架的三維模型，對彎曲、彎扭、剎車、轉(zhuǎn)彎四種工況進行了有限元分析和拓撲優(yōu)化設計；然后，根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，對前支架進行了結(jié)構(gòu)的再設計、有限元分析和尺寸優(yōu)化研究．研究結(jié)果表明，在基本不損失其剛度和強度的前提下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了18%，減重效果顯著，為降低生產(chǎn)成本和使用成本奠定了基礎．

混凝土攪拌運輸車；前支架；有限元；拓撲優(yōu)化；尺寸優(yōu)化

0 引言

混凝土攪拌運輸車具有服務性強、專業(yè)性強、時間性強、運途相對較短等特點，是商用混凝土最為理想的專用運輸工具[1]．我國混凝土攪拌運輸車市場需求潛力巨大，但同國外相比，技術(shù)上還有一定的差距，主要表現(xiàn)在整體剛度過大、結(jié)構(gòu)偏重等方面，增加了制造成本和使用成本[2-6]．因此，使用現(xiàn)代先進的設計技術(shù)研究攪拌車前支架的優(yōu)化問題是非常必要的．

1 前支架的優(yōu)化設計研究

1.1 前支架有限元模型的建立和分析

使用UG建立前支架三維模型并應用HyperMesh讀取了幾何模型；對其抽取中面和幾何清理；用四邊形shell單元對其進行離散并設置單元厚度屬性；對單元質(zhì)量進行檢查并定義其材料特性參數(shù)；約束前支架下墊板上所有節(jié)點的6個自由度，載荷施加在減速器受力中心節(jié)點處，應用RADIOSS解算器對攪拌車前支架進行有限元分析，用Hyperview后處理器對計算結(jié)果進行提?。?種典型工況的應力和位移云圖如圖1所示．

從有限元分析結(jié)果可知，在彎曲、彎扭、剎車、轉(zhuǎn)彎這4種工況中，攪拌車減速器受力中心點的最大位移為0.348mm，出現(xiàn)在剎車工況中；攪拌車前支架的最大應力為93.277MPa．這遠遠小于攪拌車前支架材料（16MN）的屈服強度345MPa．由此看見，很有必要對其進行優(yōu)化研究．

圖1 攪拌車前支架優(yōu)化前各工況有限元分析結(jié)果Fig.1 Finite elementanalysisof the agitating lorry frontsupportbefore optim ization

1.2 前支架的拓撲優(yōu)化

優(yōu)化區(qū)域為除去前支架上面板和下墊板以外所有的區(qū)域，受力中心的總位移設定為小于0.4 mm[7]，強度安全系數(shù)取為1.5，優(yōu)化目標為體積最小——質(zhì)量最輕．為提高優(yōu)化迭代的準確性和優(yōu)化結(jié)果的可借鑒性、可制造性，選取懲罰因子的值為4，單元最小密度值為0.01，目標函數(shù)收斂容差設定為0.005．優(yōu)化區(qū)域進行對稱約束．

經(jīng)過11次迭代運算后目標函數(shù)收斂．應用Hyperview讀取優(yōu)化設計結(jié)果（如圖2、圖3），取單元閥值為0.3．

分析拓撲優(yōu)化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)前后面板材料可以刪除，側(cè)面板材料冗余，攪拌車前支架的優(yōu)化空間還是很大的．

圖2 攪拌車前支架拓撲優(yōu)化結(jié)果（正面）Fig.2 Topology optim ization resultof front support（Heads）

圖3 攪拌車前支架拓撲優(yōu)化結(jié)果（背面）Fig．3 Topology optim ization result of front support（Tails）

圖4 結(jié)構(gòu)再設計前后攪拌車前支架幾何模型的對比Fig.4 Contrast re-design structure and initial structure of front support

2 前支架的結(jié)構(gòu)再設計及其優(yōu)化

2.1 前支架結(jié)構(gòu)再設計

根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，以不增加制造難度為前提，對攪拌車前支架進行結(jié)構(gòu)再設計．圖4為結(jié)構(gòu)再設計前后攪拌車前支架幾何模型的對比．

根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，將左右側(cè)面板材料冗余部分做了掏空處理；對前后面板做了大面積的材料刪減．由于再設計趨于保守，經(jīng)過結(jié)構(gòu)再設計的攪拌車前支架的質(zhì)量比原設計方案減少11%．

2.2 前支架再設計結(jié)構(gòu)的有限元分析

載荷和邊界條件都不變，對拓撲優(yōu)化后再設計的攪拌車前支架進行有限元分析．各工況分析結(jié)果如圖5所示．

由圖5可知，拓撲優(yōu)化后再設計的攪拌車前支架4種工況最大位移為0.37mm，最大應力為152.99MPa，遠小于其材料的屈服強度345MPa．無論從剛度還是強度上都符合攪拌車前支架的靜力學性能要求．

圖5 攪拌車前支架拓撲優(yōu)化后各工況有限元分析結(jié)果Fig.5 Finiteelementanalysis of theagitating lorry front support after topology optim ization

2.3 前支架再設計結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化

再設計的前支架結(jié)構(gòu)仍有優(yōu)化的潛質(zhì)，用尺寸優(yōu)化技術(shù)對其進行再次優(yōu)化，力求在滿足力學特性要求的前提下質(zhì)量最輕．

優(yōu)化目標：不同工況下的結(jié)構(gòu)總體積最?。ㄒ簿褪强傎|(zhì)量最?。粌?yōu)化變量：將前支架各焊接件鋼板（上面板、前后面板、前后加強板、側(cè)面板、下墊板）厚度作為優(yōu)化變量，根據(jù)每部分鋼板原設計方案厚度，并上下給定浮動范圍，也就是在尺寸優(yōu)化計算迭代過程中，各設計變量的值在此區(qū)間內(nèi)變動，最后得到最佳厚度尺寸；約束條件：應用剛度約束，減速器受力中心點在4個工況下的總位移均不超過0.4mm．提取尺寸優(yōu)化結(jié)果文件如圖6所示．圖中的不同顏色表示不同的厚度尺寸．根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果，對攪拌車前支架各焊接件的厚度進行重新設計，優(yōu)化前后各焊接件的厚度變化如表1所示．

由于前后面板和側(cè)面板在前面的拓撲優(yōu)化中已經(jīng)進行了重新設計，所以在此次尺寸優(yōu)化中，其厚度尺寸的減小還是比較保守的；上面板的尺寸變化最大，從以前的20mm減小到了16mm；左右兩側(cè)的加強板根據(jù)尺寸優(yōu)化的結(jié)果也進行了減薄處理．由于優(yōu)化設計的前提是保證目標部件的工作性能，尺寸優(yōu)化以后攪拌車前支架減重7%．

載荷和邊界條件保持不變，對尺寸優(yōu)化后各部件厚度尺寸再設計后的攪拌車前支架進行有限元分析，尺寸優(yōu)化鋼板厚度再設計后的攪拌車前支架在4種工況最大位移為0.399 9 mm，最大應力為159.8 MPa．滿足其力學特性要求．

表1 攪拌車前支架各零件尺寸再設計前后厚度對比Tab.1 Contrast redesign thicknessand initial thickness

圖6 攪拌車前支架結(jié)構(gòu)再設計后尺寸優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Size optim ization result after re-design of frontsupport

3 結(jié)論

在對原設計的攪拌車的前支架進行了建模和有限元分析的基礎上，進行了拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化研究．根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，去掉了冗余的材料并對前支架進行了結(jié)構(gòu)再設計和尺寸優(yōu)化，對鋼板進行了減薄處理．在滿足其強度和剛度要求的前提下，前支架的質(zhì)量減輕了18%，減重效果顯著．總體來說，攪拌車前支架的優(yōu)化設計是成功的，在基本不損失其剛度和強度的前提下，減小了其質(zhì)量．達到了優(yōu)化設計的目的．

[1]謝開泉．我國混凝土攪拌運輸車市場情況分析及預測[J]．專用汽車，2007（4）：12-14．

[2]劉鳳波．混凝土攪拌運輸車前懸架系統(tǒng)設計[J]．遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2014，16（4）：18-21．

[3]董志明，姚樹軍，白篤．混凝土攪拌運輸車副車架和后支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J]．工程機械，2010（5）：26-29．

[4]趙鵬，焦登鑫．混凝土攪拌運輸車副梁受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[C]//四川省第九屆汽車學術(shù)交流年會，2009．

[5]劉宇，張生芳，宋雪萍，等．動力平板車車架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設計[J]．中國工程機械學報,2014，12（1）：34-37．

[6]關麗坤，張凱，張鑫宇．混凝土攪拌車車架的有限元分析[J]．中國重型裝備，2009（1）：23-26．

[7]趙加清，劉倩，王增全，等．混凝土攪拌車前后支架拓撲及尺寸優(yōu)化設計[J]．機械設計與制造，2010（7）：27-29．

[責任編輯 楊屹]

Optimization design of the agitating lorry frontsupport

ZHU Zhi-hui1，CHEN Chen2，WANG Jin-gang2

(1.Logisticsm anagement office,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Schoolofmechanicalengineering, HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

Agitating lorry isa transportation ideal tool forcommercial concrete.For transportation safety,agitating lorry design often has two defects:the quality is largerand overallstiffnessis toobig.Hence,themanufacturing costsand the use cost are increased.In order to solve the problem,first of all,3Dmodel of frontsupport is setup and finite element analysisand topology optim ization designareaccomp lished in the conditionof thebending,bending and tw isting,brakes, turning.Then,according to the topology optim ization results,frontsupportis redesigned,finiteelementisanalysed and the size optim ization is researched.The resultshow s thatw ithmeeting the requirementsof the stiffnessand strength asa prem ise,the frontsupportqualitywere reducedby 18%.The foundation for reducing theproduction costand use costwas thus laid.

agitating lorry;front support;finite element;topological optimization;size optimization

TH123.3

A

1007-2373(2015)01-0078-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.01.015

2012-12-17

朱志輝（1973-），男（漢族），實驗師．