王世海

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明650215）

該構(gòu)架是關(guān)系到大型養(yǎng)路機械作業(yè)的關(guān)鍵零部件，剛性、阻尼性能是作業(yè)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)特點決定了大型養(yǎng)路機械的整體布局及作業(yè)動態(tài)穩(wěn)定性。樣機生產(chǎn)之前對其虛擬仿真并結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵，能夠很大程度上減小設(shè)計風(fēng)險，降低試驗成本，提高設(shè)計成功率，提高作業(yè)動態(tài)性能。

1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點

構(gòu)架為焊接箱體結(jié)構(gòu)，主要由線軌安裝槽、面板、連接板、側(cè)壁、支撐筋板、底板等組成。通過上頂面與配焊塊連接限制垂向運動，實現(xiàn)拆卸維護，定位鍵槽限制橫向移動，定位靠面限制縱向移動，主要承載前置側(cè)掛單元自重，通過橫向?qū)к壖敖z杠傳動系統(tǒng)移動實現(xiàn)鎖定與作業(yè)沖擊。構(gòu)架主材質(zhì)為Q355D，構(gòu)架計算參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)架計算參數(shù)

2 應(yīng)用構(gòu)架強度剛度分析

2.1 應(yīng)用構(gòu)架有限元模型

該構(gòu)架主要由薄板結(jié)構(gòu)拼焊而成，有限元模型如圖1。離散前對焊接坡口、倒角及微小特征進行有限元處理，采用網(wǎng)格Method離散，網(wǎng)格Method離散能有效劃分為n個四面體、m個六面體，能有效避免了因為簡化不合理導(dǎo)致離散失敗的不規(guī)則單元。網(wǎng)格Method離散參數(shù)如表2所示，網(wǎng)格Method離散結(jié)果如圖2所示。

圖1 應(yīng)用構(gòu)架有限元模型

圖2 網(wǎng)格Method離散結(jié)果

表2 網(wǎng)格離散參數(shù)

Workbench模塊提供對網(wǎng)格單元質(zhì)量檢查，采用EIement Quality法評估，評估結(jié)果如圖所示。

該構(gòu)架網(wǎng)格Method離散EIement Quality Average數(shù)值大于0.7。

2.2 應(yīng)用構(gòu)架強度剛度計算分析

構(gòu)架采用空間笛卡爾坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系下，根據(jù)構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點描述約束并根據(jù)表1構(gòu)架計算參數(shù)進行計算，計算分析應(yīng)用構(gòu)架強度剛度，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 應(yīng)用構(gòu)架強度剛度計算結(jié)果

應(yīng)用構(gòu)架鎖定邊界下總變形5.23×10-2mm，最大等效應(yīng)力15.303 MPa；作業(yè)邊界下總變形4.84×10-2mm，最大等效應(yīng)力12.642 MPa，最大等效應(yīng)力遠小于材料屈服強度355 MPa。

3 基于應(yīng)用構(gòu)架拓撲優(yōu)化分析

使用ANSYS Workbench，保留應(yīng)用構(gòu)架外形尺寸，實體化進行拓撲分析，邊界選用鎖定邊界，拓撲優(yōu)化云圖如圖4所示。

圖4 拓撲優(yōu)化云圖

拓撲優(yōu)化能在最大限度滿足需要的強度剛度情況下，實現(xiàn)零件內(nèi)部個性化筋板支撐布局，采用ROmove方式保留個性化參照云圖。

4 基于拓撲優(yōu)化參數(shù)建模、參數(shù)迭代分析

使用UG三維建模軟件，根據(jù)拓撲云圖對構(gòu)架進行參數(shù)化建模，建模中考慮參數(shù)具有傳遞性變化及工藝性，建模后對模型進行有限元清理，建立有限元模型，進行CAD、CAE協(xié)同優(yōu)化。

根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化三要素，采用直接優(yōu)化篩選法，小步長迭代尋找最優(yōu)解，結(jié)合響應(yīng)面分析確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入模型求解校核。在優(yōu)化過程中，設(shè)定參數(shù)范圍及樣本數(shù)量，系統(tǒng)自動指派樣本數(shù)量組合參數(shù)進行迭代求解。尺寸優(yōu)化是最經(jīng)典的優(yōu)化技術(shù)，也叫參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，即通過CAE設(shè)計變量啟動CAD模型改變，進行CAE參數(shù)值下迭代求解。

4.1 優(yōu)化設(shè)計變量

本次優(yōu)化采用的設(shè)計變量為主要板材厚度、連接面寬度，取值范圍如表3所示，優(yōu)化函數(shù)列式如下：

表3 設(shè)計變量取值范圍

M為最小值

σ≤220MPa

-0.04≤W≤0.04

式中：

M為應(yīng)用構(gòu)架的總重量，初始重量M=3 054 kg；

σ為構(gòu)架允許最大等效應(yīng)力；

W為構(gòu)架最大位移，依據(jù)應(yīng)用構(gòu)架鎖定邊界優(yōu)化率大于20%；

K為構(gòu)架剛度矩陣；

U為構(gòu)架位移矩陣，

P為構(gòu)架載荷矩陣。

4.2 響應(yīng)面分析/直接優(yōu)化

響應(yīng)面分析也叫結(jié)構(gòu)響應(yīng)靈敏度，是計算目標(biāo)和約束函數(shù)值對設(shè)計變量的梯度，是觀察參數(shù)對主要設(shè)計變量的影響情況，稱為靈敏度或敏感度；直接分析是通過篩選法結(jié)合樣本數(shù)量參數(shù)范圍內(nèi)多次迭代。構(gòu)架靈敏度圖如圖5所示、雷達圖如圖6所示、優(yōu)選參數(shù)迭代云圖如圖7所示。

圖5 構(gòu)架靈敏度云圖

圖6 雷達云圖

通過響應(yīng)面（靈敏度）、雷達圖結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)，確定參數(shù)圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)選參數(shù)迭代云圖

5 基于參數(shù)迭代選用的構(gòu)架強度剛度分析

基于優(yōu)選迭代參數(shù)，將參數(shù)取值整數(shù)輸入ug模型，使用相同于應(yīng)用構(gòu)架分析計算條件進行校對，結(jié)果如圖8所示。

圖8 參數(shù)迭代選用的構(gòu)架強度、剛度計算結(jié)果

構(gòu)架鎖定邊界下總變形3.91×10-2mm，最大等效應(yīng)力10.276 MPa；作業(yè)邊界下總變形3.42×10-2mm，最大等效應(yīng)力8.53 MPa，最大等效應(yīng)力遠小于材料屈服強度355 MPa，M=2.73 t靠近目標(biāo)要求，通過優(yōu)化滿足優(yōu)化函數(shù)列式。

6 結(jié)論

本文討論了構(gòu)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，主要由拓撲優(yōu)化建模、參數(shù)迭代選用后計算分析結(jié)果優(yōu)于應(yīng)用構(gòu)架，實現(xiàn)了滿足輕量化下強度剛度要求。由以上計算分析驗證了構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的合理性，希望此思路能為今后同類構(gòu)架設(shè)計提供有用的參考。