張　婷，章泳健，戴國(guó)洪，3

（1.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；3.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500）

汽車(chē)打包機(jī)門(mén)蓋有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張婷1，章泳健2，戴國(guó)洪2，3

（1.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；
3.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500）

針對(duì)某汽車(chē)打包機(jī)門(mén)蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用有限元分析技術(shù)并結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立了門(mén)蓋的有限元計(jì)算模型，進(jìn)行了高級(jí)非線性分析，給出了門(mén)蓋在額定載荷時(shí)的位移和應(yīng)力分布情況，指出了門(mén)蓋的薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)門(mén)蓋的幾何參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)特性的靈敏度分析.在此基礎(chǔ)上，確定了門(mén)蓋主要設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對(duì)門(mén)蓋應(yīng)力的影響規(guī)律.通過(guò)修改設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)門(mén)蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使門(mén)蓋結(jié)構(gòu)既滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，又達(dá)到質(zhì)量輕、成本低的目的.

打包機(jī)門(mén)蓋；有限元分析；靈敏度分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車(chē)打包機(jī)是用于將廢舊汽車(chē)的外殼冷態(tài)束塊打包，使之形成緊密的長(zhǎng)方體包塊，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)闹剌d工程機(jī)械［1］，如圖1所示.門(mén)蓋作為打包機(jī)的重要運(yùn)動(dòng)部件，在工作循環(huán)中主要用來(lái)預(yù)壓物料，使料箱形成封閉的壓縮室，其力學(xué)性能直接影響打包機(jī)的工作可靠性與使用壽命.目前，門(mén)蓋的設(shè)計(jì)主要依賴(lài)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)筋板的數(shù)量、厚度及布置位置等參數(shù)對(duì)性能的影響沒(méi)有進(jìn)行深入研究，從安全的角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得比較粗笨，存在較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間.

圖1　汽車(chē)打包機(jī)的三維模型

由于不同車(chē)型的汽車(chē)外殼結(jié)構(gòu)不同，選用的材料也不同，同時(shí)門(mén)蓋與汽車(chē)殼體之間的接觸過(guò)程非常復(fù)雜，涉及到大位移、大變形等非線性問(wèn)題，采用理論計(jì)算方法難以獲得門(mén)蓋在工作過(guò)程中的應(yīng)力分布情況.本文運(yùn)用SIEMENS NX軟件作為研究工具，對(duì)打包機(jī)門(mén)蓋及車(chē)殼簡(jiǎn)化模型進(jìn)行建模，并運(yùn)用其集成的NX NASTRAN軟件對(duì)反映打包過(guò)程的接觸計(jì)算模型進(jìn)行高級(jí)非線性結(jié)構(gòu)分析.然后在靈敏度分析的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)門(mén)蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使設(shè)計(jì)更為合理，降低制造成本、減少原材料的浪費(fèi).采用有限元法對(duì)門(mén)蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可獲取其在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形的分布規(guī)律，從而指導(dǎo)門(mén)蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.

1　建模與受力分析

門(mén)蓋在工作時(shí)與汽車(chē)殼體之間的接觸過(guò)程非常復(fù)雜，不僅涉及到接觸、大位移、大變形等非線性問(wèn)題，而且由于不同車(chē)型的汽車(chē)外殼結(jié)構(gòu)不同，選用的材料也不同，所以研究時(shí)必須考慮汽車(chē)殼體模型.由于研究的主體是門(mén)蓋，而推動(dòng)門(mén)蓋的主動(dòng)力已知，汽車(chē)殼體只是力傳遞的邊界條件，所以引入汽車(chē)殼體的簡(jiǎn)化模型.汽車(chē)殼體采用一般小轎車(chē)大小4500×1750×1300的簡(jiǎn)化模型，其材料模型采用線彈性模型，彈性模量取相比結(jié)構(gòu)鋼較小的值，這樣既可以模擬在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)的較大變形，又避免引入材料非線性影響計(jì)算效率，同時(shí)對(duì)門(mén)蓋的應(yīng)力和變形計(jì)算影響很小.

根據(jù)門(mén)蓋的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，CAE建模時(shí)采用殼單元（Shell Element）來(lái)劃分網(wǎng)格.在不影響分析結(jié)果的前提下對(duì)門(mén)蓋進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，如忽略了螺紋孔、圓角及倒角等特征，從而提高有限元模型的質(zhì)量、減小模型的計(jì)算規(guī)模.分析模型如圖2所示.

在工作過(guò)程中，門(mén)蓋主要受到油缸的推力和物料的反力，其中油缸的推力為主動(dòng)力.油缸對(duì)門(mén)蓋的推力方向沿油缸的軸線方向，取油缸與水平方向夾角為α，則油缸對(duì)門(mén)蓋推力F在水平、豎直方向分力分別為：Fx=F sin α Fy=F cos α

由打包機(jī)模型可知，門(mén)蓋在關(guān)閉的過(guò)程中，隨著α越來(lái)越小，門(mén)蓋對(duì)物料的豎直壓力也減小，因此取門(mén)蓋與汽車(chē)殼體剛接觸時(shí)即豎直分力最大為極限邊界條件.

圖2　分析模型

2　有限元分析

門(mén)蓋閉合過(guò)程中，門(mén)蓋與汽車(chē)殼體之間存在接觸非線性.同時(shí)，工作過(guò)程中汽車(chē)殼體的剛度不是恒定的，它隨著變形的大小而變化，即存在幾何非線性.因此本文作SOL601，106高級(jí)非線性靜力學(xué)分析.非線性分析和線性分析相比，非線性分析的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量要大得多，而且在數(shù)值計(jì)算方法和求解參數(shù)的設(shè)定上有較大區(qū)別［2］.

邊界條件包括載荷、約束和仿真對(duì)象［3］.在門(mén)蓋的左右軸套上分別施加軸承力，力的大小為800 KN，方向?yàn)檠刂透椎妮S向，指向門(mén)蓋.在汽車(chē)殼體的底部作固定約束、門(mén)蓋的旋轉(zhuǎn)軸處作銷(xiāo)釘約束.同時(shí)，忽略門(mén)蓋組件各結(jié)合面之間的接觸變形，近似將各接觸部分看作剛性接觸，在FEM下為門(mén)蓋的各邊、面之間添加1D連接［4-5］.門(mén)蓋與汽車(chē)殼體之間的接觸是非線性的，在仿真模型下，定義高級(jí)非線性接觸，汽車(chē)殼體作為“源區(qū)域”，門(mén)蓋底板作為“目標(biāo)區(qū)域”，“接觸參數(shù)”保持默認(rèn).有限元計(jì)算模型如圖3所示，分析結(jié)果如圖4所示（只顯示門(mén)蓋）.

圖3　有限元計(jì)算模型

根據(jù)圖形可知門(mén)蓋最大等效應(yīng)力為170.76 MPa.應(yīng)力主要集中在門(mén)蓋的左右軸套上，即油缸與門(mén)蓋連接處.門(mén)蓋的材料為Q235號(hào)鋼，屈服強(qiáng)度為235 MPa，可見(jiàn)在該工況下門(mén)蓋滿(mǎn)足強(qiáng)度要求.

3　優(yōu)化設(shè)計(jì)

有限元分析的最終目的是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)在需要對(duì)門(mén)蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)是模型的重量最小［6-7］.約束條件是在不改變門(mén)蓋模型網(wǎng)格劃分、邊界約束和載荷大小，并能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下，控制最大等效應(yīng)力值不超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的70%（約165 MPa）.

3.1筋板的布置

根據(jù)分析結(jié)果可知，應(yīng)力主要分布在左右軸套處，大部分的筋板受力極小，因此，可通過(guò)布置筋板的分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).為便于加工和裝配，門(mén)蓋筋板布置采用均勻分布的方式.設(shè)計(jì)變量為筋板的數(shù)量，原結(jié)構(gòu)中單行設(shè)置的筋板數(shù)量為10，考慮減重的目標(biāo)及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，取筋板數(shù)量為3-7.

圖5為筋板數(shù)量與門(mén)蓋最大應(yīng)力和位移關(guān)系，圖6為不同筋板數(shù)量對(duì)應(yīng)底板的應(yīng)力分布圖.結(jié)果表明筋板數(shù)量對(duì)門(mén)蓋的最大應(yīng)力（軸套處）影響較小，對(duì)門(mén)蓋底板的應(yīng)力分布位置影響較大.底板最大應(yīng)力發(fā)生在門(mén)蓋油缸軸線方向上的臨近筋板與主橫筋板接觸處，最大應(yīng)力為N=4時(shí)σmax=61.52MPa.綜合考慮最大應(yīng)力、最大位移和底板的應(yīng)力分布，以及實(shí)現(xiàn)減重的目的，確定新結(jié)構(gòu)的筋板數(shù)量為4.

3.2筋板厚度的優(yōu)化

圖4　門(mén)蓋位移和應(yīng)力分布

圖5　筋板數(shù)量與門(mén)蓋應(yīng)力、位移關(guān)系

圖6　筋板數(shù)量與底板應(yīng)力分布

3.2.1靈敏度分析

靈敏度分析是為優(yōu)化設(shè)計(jì)做鋪墊.通過(guò)靈敏度分析可以確定模型各參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果影響的大小.在模型校正過(guò)程中重點(diǎn)考慮對(duì)輸出結(jié)果影響較大的參數(shù)，排除那些對(duì)輸出結(jié)果影響很小的參數(shù)，這將在很大程度上減小模型校正的工作量，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率［8-9］.

NX高級(jí)仿真中幾何優(yōu)化模塊下提供了全局靈敏度解算方案.設(shè)計(jì)目標(biāo)為門(mén)蓋的重量最小，約束條件為門(mén)蓋的最大應(yīng)力，設(shè)計(jì)變量為筋板厚度.為便于加工與安裝，門(mén)蓋結(jié)構(gòu)中相同結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)保持一致.筋板厚度參數(shù)主要包括底板厚度T1、主橫筋板厚度T2、橫筋板厚度T3、豎筋板厚度T4、軸套厚度T5、前板厚度T6、門(mén)蓋耳套幫板厚度T7和其他筋板厚度T8.對(duì)上述筋板厚度進(jìn)行全局靈敏度分析，獲得各參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)影響的全局靈敏度曲線，最后將所有靈敏度曲線調(diào)整到一幅圖表中進(jìn)行比較，根據(jù)各參數(shù)的全局靈敏度曲線的斜率大小判斷設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的靈敏程度，最終確定T1、T2、T3、T4.根據(jù)各參數(shù)對(duì)約束條件的影響曲線，確定T5.全局靈敏度曲線如圖7所示.

由圖7（a）可知底板、主橫筋板、橫筋板及豎筋板的厚度對(duì)門(mén)蓋的重量影響較大，其中底板的影響最大.由圖7（b）可知軸套的厚度對(duì)約束條件的影響最大.為提高門(mén)蓋強(qiáng)度以及減輕門(mén)蓋的重量，主要對(duì)底板、主橫筋板、橫筋板、豎筋板厚度進(jìn)行減小，同時(shí)適當(dāng)增加軸套的厚度.

圖7　厚度T的靈敏度曲線

3.2.2尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是建立在數(shù)學(xué)規(guī)劃論的基礎(chǔ)上，在滿(mǎn)足給定條件下達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)［10］.NX高級(jí)仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化的解算器采用的是美國(guó)Altair公司的Altair HyperOpt，它擁有高效、強(qiáng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力.

表1　各參數(shù)的取值范圍

結(jié)合以上分析結(jié)果，進(jìn)行筋板數(shù)量等于4時(shí)筋板厚度的優(yōu)化分析.在“幾何優(yōu)化”對(duì)話框中作如下設(shè)置：①定義目標(biāo)：重量定為最??；②定義約束：門(mén)蓋上的最大等效應(yīng)力為165 MPa；③定義設(shè)計(jì)變量見(jiàn)表1；④控制參數(shù)：選擇最大迭代次數(shù)為20.

表2　優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

經(jīng)解算，找到最佳方案：底板厚度由原來(lái)的52 mm修改為45 mm，主橫筋板厚度由原來(lái)的50 mm修改為45 mm，橫筋板厚度由原來(lái)的25 mm修改為20 mm，豎筋板厚度由原來(lái)的20 mm修改為16 mm，軸套厚度由原來(lái)的34.5 mm修改為35.2 mm，為了便于生產(chǎn)，將軸套的厚度圓整為35.5 mm.優(yōu)化后與優(yōu)化前的分析結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2.

從計(jì)算結(jié)果可看出，優(yōu)化后的門(mén)蓋強(qiáng)度得到明顯提高.另外，重量由原來(lái)的10496 kg降低為8786 kg，減重17.2%，取得了優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期效果.

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)汽車(chē)打包機(jī)門(mén)蓋的有限元計(jì)算模型進(jìn)行非線性分析，得出了門(mén)蓋在額定載荷下的應(yīng)力和位移情況.從門(mén)蓋的應(yīng)力云圖的動(dòng)態(tài)顯示過(guò)程可直觀地找出門(mén)蓋的薄弱環(huán)節(jié)，為門(mén)蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù).通過(guò)對(duì)門(mén)蓋主要設(shè)計(jì)參數(shù)的全局靈敏度分析，給出了對(duì)門(mén)蓋重量影響較大的參數(shù)，提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率.通過(guò)對(duì)門(mén)蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了門(mén)蓋的強(qiáng)度，減輕了重量，降低了生產(chǎn)成本，取得了優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期效果.

［1］阮景能，賀元成，徐俊.基于150t打包機(jī)壓頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2012（1）：51-53.

［2］沈春.UG NX 7.0有限元分析入門(mén)與實(shí)例精講［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］朱崇高，謝?？?UG NX CAE基礎(chǔ)與實(shí)例應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［4］李春亭.NX CAE應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)案例精粹［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［5］賈蕭，章泳健，戴國(guó)洪.龍門(mén)剪切機(jī)料箱的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（9）：29-32.

［6］童欽，孟廣耀，黃居鑫，等.UG和ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)比較［J］.裝備制造技術(shù)，2014（6）：115-117.

［7］張新明，周文明，周東偉.基于UG的三輪汽車(chē)轉(zhuǎn)向聯(lián)板有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2014，52（7）：68-70.

［8］周孜亮，王貴飛，叢明.基于ANSYS Workbench的主軸箱有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)加工技術(shù)，2012（3）：17-20.

［9］叢明，房波，周資亮.車(chē)-車(chē)?yán)瓟?shù)控機(jī)床拖板有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，19（2）：208-213.

［10］郭壘，張輝，葉佩青，等.基于靈敏度分析的機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：846-850.%

Finite Element Analysis and Optimization Design of the Door Cover of a Car Baler

ZHANG Ting1，ZHANG Yong-jian2，DAI Guo-hong2,3
（1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University of Technology,Changzhou 213001,China；2.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China；3.Jiangsu Key Laboratory of Recycling and Reuse Technology for Mechanical and Electronic Products,Changshu 215500,China）

According to the structure of the door cover of a car baler，this paper established the finite element （FE）model and presented the advanced nonlinear statics of the door cover by means of FE method.The displace?ment and stress distribution of the door cover with full load were given,and the weaknesses of the door cover were found.And the sensitivity analysis based on statics performance of the geometrical parameters of the door cover was performed.Furthermore,the Von Mises affected by the value of the chief parameters of the door cover were confirmed.Finally,the door cover was optimized by modifying the design parameters.As a result,the struc?ture of the door cover meets the design requirements and reaches the purpose of light weight and low cost.

the door cover of a car baler；finite element analysis；sensitivity analysis；optimization design

TP391

A

1008-2794（2015）02-0013-05

2014-12-07

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“報(bào)廢汽車(chē)材料回收工藝及裝備關(guān)鍵技術(shù)研究”（BE2013060）

通訊聯(lián)系人：戴國(guó)洪，教授，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向：數(shù)字化制造工藝、機(jī)械產(chǎn)品循環(huán)利用與裝備技術(shù)，E-mail：dgh@cslg.cn.