王 宏 宇，滕 儒 民*，楊 娟，任 利 有

( 1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.三一汽車起重機械有限公司 起重機研究院，湖南 長沙 410600 )

0 引 言

為降本節(jié)能，汽車起重機輕量化技術(shù)已成為汽車起重機產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項關(guān)鍵性研究課題，探尋汽車起重機輕量化的方法和途徑，減少鋼材消耗，降低作業(yè)過程中能耗，已成為汽車起重機企業(yè)的核心競爭力之一[1]．

汽車起重機轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)是汽車起重機起重作業(yè)的中心樞紐，它支撐著吊臂，安裝著回轉(zhuǎn)機構(gòu)、起升機構(gòu)及平衡配重，連接著回轉(zhuǎn)支承．起重作業(yè)的所有運動(包括起升、變幅和回轉(zhuǎn)等)都要通過它來完成，這就決定了轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)受載狀況惡劣，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜．作為汽車起重機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其質(zhì)量決定了整車質(zhì)量及綜合能耗[2]．國內(nèi)外很多學(xué)者對轉(zhuǎn)臺問題的研究主要集中在拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化及形狀優(yōu)化[3-6]，而對轉(zhuǎn)臺的衍生式設(shè)計研究較少．歐洲空客使用衍生式設(shè)計開發(fā)了飛機隔離板和后座支撐結(jié)構(gòu)“仿生隔板”，保證強度的同時質(zhì)量減輕45%．通用汽車衍生式設(shè)計了單部件安全帶支架代替原有的八件式組件，減重的同時減少部件數(shù)目[7]．葛海波運用衍生式設(shè)計，輕量化設(shè)計了雙足機器人的大腿及小腿機構(gòu)，提升了運動性能[8]．相比于傳統(tǒng)設(shè)計手段具有CAD模型更改頻繁、需要初始幾何圖元、設(shè)計方案單一等局限及不足，衍生式設(shè)計消除了幾何創(chuàng)建過程中的猜測．它可以產(chǎn)生人類大腦永遠不會想到的各種設(shè)計解決方案，而傳統(tǒng)設(shè)計受到完全成形的人類設(shè)計理念及偏見的約束．作為一種設(shè)計探索技術(shù)，其能夠根據(jù)邊界條件、裝配接口位置、制造條件和產(chǎn)品性能要求(如強度、質(zhì)量、材料等)，利用基于人工智能的算法，同步生成多種可行的解決方案，讓工程師從重復(fù)性設(shè)計工作中解脫，大幅提高設(shè)計效率．本文利用基于云的CAD/CAM/CAE軟件Fusion 360中的衍生式設(shè)計模塊，對汽車起重機轉(zhuǎn)臺進行衍生式設(shè)計，在滿足性能要求的前提下，探索轉(zhuǎn)臺理想的結(jié)構(gòu)形式，對現(xiàn)有設(shè)計提供指導(dǎo)，實現(xiàn)輕量化的目的．

1 某型轉(zhuǎn)臺有限元分析

1.1 有限元建模

采用Ansys Workbench進行分析計算，根據(jù)轉(zhuǎn)臺尺寸建立幾何模型．此轉(zhuǎn)臺所用板材材料屬性如表1所示．單元類型采用SHELL181單元，利用遠程點(remote point)剛性耦合各鉸點用以荷載的加載．劃分的網(wǎng)格主要由四邊形網(wǎng)格元素組成，局部為三角形網(wǎng)格元素(Quad/Tri)；根據(jù)網(wǎng)格尺寸對比分析，單元大小定義為35 mm，可較好滿足計算精度要求．

表1 材料屬性

選擇4種分析工況，分別為1倍最大吊重加5%側(cè)載(工況1)、1倍最大彎矩加5%側(cè)載(工況2)、1.25倍最大吊重(工況3)、1.25倍最大彎矩(工況4)．

轉(zhuǎn)臺加載方式如圖1所示．變幅液壓缸鉸點、臂架鉸點及卷揚安裝孔均剛性連接，對應(yīng)荷載作用在剛性節(jié)點上．單繩拉力作用在卷揚節(jié)點上，配重安裝在轉(zhuǎn)臺的卷揚箱體下方．變幅液壓缸下鉸點反力作用在轉(zhuǎn)臺前端支座剛性節(jié)點處．大臂尾鉸點是雙軸形式，所以在尾鉸點處建立兩個剛性節(jié)點．大臂尾鉸點力、最大切向力、幅度切向力及高度切向力均換算成力偶形式加載在尾鉸點的兩個剛性節(jié)點上．考慮到實際受力狀況與建模簡化，在底板中性面處建立與座圈重合的環(huán)形區(qū)域，以環(huán)形區(qū)域作為約束區(qū)域．

圖1 轉(zhuǎn)臺加載方式

1.2 未優(yōu)化前原結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖2、3為轉(zhuǎn)臺在工況1下的計算分析結(jié)果．

經(jīng)計算，最大von Mises應(yīng)力值位于墻板后底部靠近螺栓孔處，應(yīng)力為502.54 MPa．該處屬于小區(qū)域應(yīng)力集中且數(shù)值小于屈服強度，滿足要求．由于受到5%側(cè)載力的影響，最大總變形發(fā)生在立板上封板處，為10.397 mm．該位置在垂直變幅平面方向，最大變形為8.975 0 mm．對于轉(zhuǎn)臺的側(cè)向變形和變幅平面內(nèi)變形，目前規(guī)范均未有明確的許用值規(guī)定．但是轉(zhuǎn)臺剛度對起重機運行中的啟制動有著明顯影響，各企業(yè)根據(jù)試驗有自己的評價指標(biāo)，非本文重點，這里不進行討論．

圖2 原結(jié)構(gòu)工況1總體應(yīng)力云圖

2 轉(zhuǎn)臺的衍生式設(shè)計

2.1 衍生式設(shè)計概述

衍生式設(shè)計是模擬大自然中生物進化的方式進行設(shè)計，僅需輸入特定的設(shè)計目標(biāo)，如性能要求、材料、制造方法等．應(yīng)用程序明確設(shè)計要求后在程序化合成的設(shè)計空間內(nèi)評估大量生成的設(shè)計是否滿足設(shè)計要求．整個設(shè)計空間中每種解決方案的性能數(shù)據(jù)也會給予反饋．在實時評估設(shè)計方案時可隨時調(diào)整目標(biāo)和約束以生成符合優(yōu)化定義的新結(jié)果．選到滿意的設(shè)計方案便能將設(shè)計導(dǎo)出生成幾何圖元以便在其他CAD程序中使用[9]．

Fusion 360是基于云的CAD/CAM/CAE工具，支持協(xié)作式產(chǎn)品開發(fā)．快速簡便的有機建模與精確的實體造型兼顧，其中的衍生式設(shè)計模塊可以按照目標(biāo)和約束定義設(shè)計問題并生成滿足要求的設(shè)計方案[10]．

2.2 轉(zhuǎn)臺設(shè)計

根據(jù)起重臂、變幅液壓缸、起升主副卷揚及配重安裝的邊界條件，在Fusion 360的衍生式設(shè)計模塊中定義設(shè)計空間．衍生式設(shè)計無須給出初始形狀，只需根據(jù)原始設(shè)計的結(jié)構(gòu)確定衍生式設(shè)計中的保留幾何圖元與障礙物幾何圖元．保留幾何圖元為指定要包括在設(shè)計最終形狀中的實體，這些實體以綠色顯示．障礙物幾何圖元表示在生成結(jié)果過程中不會放置材料的空白區(qū)域的實體，也是在設(shè)計中需要避開的空間，這些實體以紅色顯示．

將減速機安裝座圈、回轉(zhuǎn)支承連接座圈、配重螺母、起重臂尾部安裝鉸點軸套及卷揚安裝位置設(shè)為保留幾何圖元，其他邊界條件設(shè)為障礙物幾何圖元，如圖4所示．

圖4 保留幾何圖元及障礙物幾何圖元

模型建立后，分別按照1.1節(jié)設(shè)定的4種工況進行解算，轉(zhuǎn)臺受力示意圖如圖5所示．為保證衍生式設(shè)計結(jié)構(gòu)的對稱性，將帶側(cè)載工況按側(cè)載方向不同分為兩種荷載工況進行衍生設(shè)置，共設(shè)置6種荷載工況，如圖6及表2所示．這種設(shè)置方式間接提高了帶側(cè)載工況的權(quán)重，也解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺設(shè)計側(cè)向剛度不足的問題．

圖5 轉(zhuǎn)臺受力示意圖

轉(zhuǎn)臺衍生式設(shè)計的目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度要求的情況下，最小化質(zhì)量．所以在目標(biāo)設(shè)定中選擇最小化質(zhì)量．材料初選HG785．Fusion 360的衍生式設(shè)計模塊中提供了增材制造、銑削加工及鑄造多種加工方法，為了得到滿足輕量化設(shè)計要求的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，在加工制造方法中選擇不限制加工方法．衍生式設(shè)計可以根據(jù)給定的物理材料來計算生成不同的結(jié)構(gòu)模型，這里目的是對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)新形式的探索，因此沒有考慮加工能力的限制．

圖6 荷載施加

表2 工況荷載

衍生式設(shè)計可得到多個設(shè)計方案，通過對設(shè)計方案的篩選以及對設(shè)計參數(shù)迭代修正，在后處理界面中選擇合適的設(shè)計方案．衍生式設(shè)計模塊的后處理也會把所選設(shè)計方案的性能數(shù)據(jù)進行初步反饋，可通過反饋初步了解結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、質(zhì)量及整體安全系數(shù)等信息．

B=A·R=(0.191 6,0.284 3,0.297 9,0.168 4,0.172 9), Z=b3=0.2979,評價為合格。

所選方案模型共經(jīng)歷63次迭代，在3D視圖中觀察其迭代過程如圖7所示，并選擇最合理的迭代版本．

圖7 迭代過程

綜合質(zhì)量及強度等屬性，選定的衍生式設(shè)計模型如圖8所示，將結(jié)果導(dǎo)出為.STEP格式文件．

圖8 衍生式設(shè)計方法獲得的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

2.3 衍生結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

將衍生式設(shè)計的模型在有限元分析軟件Ansys Workbench中仿真分析，運用SCDM直接建模軟件進行模型修復(fù)．因衍生式設(shè)計的輸出模型有時會出現(xiàn)錯誤面等問題，導(dǎo)致不能進行網(wǎng)格劃分等操作，需要對其進行處理方可進行分析．

圖9、10為衍生式轉(zhuǎn)臺在工況1下的計算分析結(jié)果．通過計算，最大von Mises應(yīng)力值位于卷揚架前上部，為319.29 MPa，屬于小范圍應(yīng)力集中．其余大部分應(yīng)力均控制在220 MPa以下，整體有較大安全裕度．由于受到5%側(cè)載力影響，最大總變形發(fā)生在大臂尾鉸點上部，為4.697 5 mm．該位置在垂直變幅平面方向?qū)儆谧畲笞冃?，?.411 3 mm．

圖9 衍生結(jié)構(gòu)工況1總體應(yīng)力云圖

2.4 模型對比

未優(yōu)化轉(zhuǎn)臺原結(jié)構(gòu)與衍生優(yōu)化設(shè)計方案指標(biāo)對比如表3、4所示．衍生式設(shè)計的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)平衡了各工況中的最大應(yīng)力，使各工況中的應(yīng)力水平均較原結(jié)構(gòu)大幅降低，提高了材料的利用率．前兩種工況均帶有5%側(cè)載．同時傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)剛度較差．

衍生結(jié)構(gòu)在質(zhì)量減輕12%的同時，側(cè)向變形減小55.6%，最大變形減小30.2%．轉(zhuǎn)臺在變幅平面及回轉(zhuǎn)平面的剛度均有大幅提升，說明衍生式設(shè)計能夠保證結(jié)構(gòu)在滿足約束及結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的前提下保持較優(yōu)剛度，驗證了衍生式設(shè)計的有效性及合理性．綜合分析優(yōu)化前后轉(zhuǎn)臺的力學(xué)性能可知，衍生式設(shè)計的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)能滿足給定的不同工況要求，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺的優(yōu)化設(shè)計．

表3 新舊方案強度對比

表4 新舊方案剛度對比

2.5 衍生結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

一般汽車起重機發(fā)動機怠速為800 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 900 r/min．兩類頻率分別為13.3及31.7 Hz，均遠離結(jié)構(gòu)固有頻率，說明不會發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)安全．從圖11可以看到，前4階振型主要在轉(zhuǎn)臺后端卷揚支架處發(fā)生左右顫動；5階振型主要是轉(zhuǎn)臺腹板處向外側(cè)振動．故在該方案的應(yīng)用中后端卷揚支架及腹板處值得注意．

圖11 衍生式轉(zhuǎn)臺5階振型

2.6 衍生結(jié)構(gòu)屈曲分析

對衍生式轉(zhuǎn)臺進行線性特征值屈曲分析，臨界荷載系數(shù)及典型屈曲振型圖如表5及圖12所示．前兩階屈曲變形均發(fā)生在轉(zhuǎn)臺斜下方結(jié)構(gòu)處，為局部彎曲變形．因屈曲系數(shù)較大且為負值，僅有當(dāng)結(jié)構(gòu)承受反向臨界失穩(wěn)荷載時才會發(fā)生屈曲．這種情況實際中不會發(fā)生，說明衍生式轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定性較好，不會發(fā)生整體及局部失穩(wěn)．

表5 臨界荷載系數(shù)

3 結(jié) 論

(1)將衍生式設(shè)計應(yīng)用到轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，對優(yōu)化后的模型進行有限元仿真，通過仿真結(jié)果對比驗證了衍生式設(shè)計結(jié)果的合理性及有效性．

(2)本次的衍生式設(shè)計是在考慮了側(cè)載以及對模型結(jié)構(gòu)對稱化處理的情況下進行的，解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺設(shè)計側(cè)向剛度不足的問題．

(3)衍生式設(shè)計優(yōu)化結(jié)果為理想化模型，但模型展現(xiàn)了在鉸點位置固定的情況下轉(zhuǎn)臺理想的材料分布及轉(zhuǎn)臺應(yīng)力的最佳傳遞狀態(tài)，可以對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)臺設(shè)計起到一定的指導(dǎo)及借鑒作用．