王政

摘要：升降傳輸平臺是全自動生產(chǎn)線的重要組成部分，為保證生產(chǎn)線穩(wěn)定、高速的運(yùn)輸瓦楞紙板，升降傳輸平臺具有較高的強(qiáng)度。而強(qiáng)度過剩會導(dǎo)致設(shè)備質(zhì)量大、體積過于笨重、成本增加、工作效率底下等一系列問題，因此，需要兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工作效率，而輕量化設(shè)計(jì)可使結(jié)構(gòu)在滿足性能的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降低生產(chǎn)成本的目的。針對某企業(yè)項(xiàng)目，以糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺為研究對象進(jìn)行輕量化，利用拓?fù)鋬?yōu)化找到對性能影響較小的結(jié)構(gòu)，通過變截面實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，最終在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移變化不大的情況下實(shí)現(xiàn)了5.8%的減重。

關(guān)鍵詞：糊箱打包機(jī);升降傳輸平臺;輕量化;拓?fù)鋬?yōu)化

0? 引言

糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺的主要功能是實(shí)現(xiàn)對物體的升降和傳輸，可做為傳輸瓦楞紙板的主要設(shè)備[1]。升降傳輸平臺放置在糊箱打包機(jī)之后，能在短短20s內(nèi)將散料升降和運(yùn)輸至下個環(huán)節(jié)，因此在實(shí)際生產(chǎn)生活中受到廣泛的使用。升降傳輸平臺給包裝行業(yè)的生產(chǎn)帶來了很多便利，但同時(shí)也一并存在著主要零部件過多、產(chǎn)品整備質(zhì)量較大、生產(chǎn)利潤空間小等一系列問題。因此，需要在設(shè)備依然能滿足設(shè)計(jì)和使用要求的前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對減重后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)準(zhǔn)則的校核，以確保輕量化的可行性[2]。

1? 糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺幾何模型

本文中的糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺是基于對某包裝機(jī)械廠半自動糊箱打包機(jī)的改型，采用Solidworks軟件建立結(jié)構(gòu)的概念三維模型，該設(shè)備的主要功能是升降和傳輸，可通過普通氣缸和無桿氣缸實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動。其可運(yùn)輸?shù)淖畲蟪叽缤呃慵埌鍨椋?100mm×1000mm×250mm，每層紙板的重量小于2kg。平臺可上升的最大高度為300mm，由普通氣缸完成升降工作;無桿氣缸的傳輸距離1000mm，可實(shí)現(xiàn)物體的平移運(yùn)動。一套完整的升、傳輸、降流程要求在12秒完成。

為了對該設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，采用Solidworks軟件建立升降傳輸平臺的三維模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)尺寸為1350mm×1050mm×500mm，其中無桿氣缸的總長1180mm，可推送的最大長度是1000mm。升降平臺的整體骨架結(jié)構(gòu)全部采用截面為40mm×40mm的方管搭建，材料為Q235普碳鋼材料。在最初設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采取保守設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由充分的余量，因此設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過剩，設(shè)計(jì)質(zhì)量不好，為了進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2? 升降傳輸平臺輕量化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)是充分運(yùn)用現(xiàn)代優(yōu)化手段對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，需要在保證設(shè)備的基本工作條件、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等綜合性能與特征指標(biāo)的情況下，盡量減輕設(shè)備的總體質(zhì)量，從而達(dá)到提升動力性、為企業(yè)和消費(fèi)者減少成本的目的，實(shí)現(xiàn)重量、利潤空間和綜合質(zhì)量指標(biāo)的良好平衡狀態(tài)。糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺的輕量化設(shè)計(jì)可從材料后結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個方面入手。

2.1 材料輕量化

通過為結(jié)構(gòu)替換比重更小的材料而達(dá)到減重目的是最常見、最直接的輕量化方法之一。傳統(tǒng)框架式升降平臺使用最多的是鋼材，它的生產(chǎn)成本較低，制造也相對容易，但質(zhì)量相對較重，在老式的機(jī)械設(shè)備中比較常見。為了降低產(chǎn)品質(zhì)量，有必要進(jìn)行升降傳輸平臺材料的優(yōu)化，達(dá)到輕量化目的[3]。目前，升降傳輸平臺用輕量化物質(zhì)的開發(fā)正在加速，新型智能物質(zhì)正逐步應(yīng)用于升降傳輸平臺的制造中。用高強(qiáng)度鋼板和鎂合金已應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備。由鎂合金的比強(qiáng)度明顯大于鋼、鋁等材料，因此具有天然的優(yōu)勢。而且鎂合金還具有較好的減震降噪性能，能提升產(chǎn)品工作的平順性。但鎂合金的生產(chǎn)成本較高，過去只在少數(shù)性能優(yōu)良的產(chǎn)品上應(yīng)用，但隨著近些年的研究與探索，鎂合金的成本也逐漸下降，為其更廣泛的應(yīng)用提供了可能。因此，鎂合金已成為結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料。

2.2 結(jié)構(gòu)輕量化

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)輕量化方法多采用根據(jù)工程師經(jīng)驗(yàn)以及對過往產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、競品數(shù)據(jù)庫進(jìn)行總結(jié)分析，來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向，其局限性很大、方向不明確，過于依賴人員的經(jīng)驗(yàn)判斷。而現(xiàn)代先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法多采用有限元仿真的手段對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)和優(yōu)化。通過有限元方法的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)需基于結(jié)構(gòu)的性能分析，通過對升降傳輸平臺的受力狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析，保證升降傳輸平臺在工作狀態(tài)中能滿足剛強(qiáng)度的需求，并在滿足性能要求的前提下去除一些受力較小部位的材料，反之也可對薄弱部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)升降傳輸平臺的輕量化設(shè)計(jì)。利用有限元手段的拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化等方法自上世紀(jì)60年代開始，廣泛應(yīng)用于航空、航天以及汽車領(lǐng)域。

基于有限元手段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法基本流程為根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)、圖紙對升降平臺進(jìn)行三維實(shí)體建模，接著可通過查閱資料、分析計(jì)算得到升降傳輸平臺在工作時(shí)所受的載荷情況，為了對升降傳輸平臺進(jìn)行受力分析，需要將所建立的三維模型導(dǎo)入CAE軟件中，進(jìn)行相應(yīng)的約束、施加載荷、劃分網(wǎng)格、定義升降傳輸平臺的材料屬性，對實(shí)際受載狀態(tài)進(jìn)行模擬，查看是否有材料破壞、失效的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)有限元分析結(jié)果考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性，隨后重構(gòu)升降傳輸平臺的優(yōu)化三維模型，最后重復(fù)上一步驟進(jìn)行有限元分析，若分析結(jié)果滿足目標(biāo)要求則可以完成輕量化設(shè)計(jì)，若分析結(jié)果顯示更改后的模型不滿足性能要求，則方案不能被采納，需要進(jìn)行重復(fù)的修改，直至設(shè)計(jì)狀態(tài)滿足性能要求。

3? 升降平臺的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是在特定約束條件下給出設(shè)計(jì)空間內(nèi)材料最佳分布方案的方法，它可以快速找到結(jié)構(gòu)受載時(shí)力的主要傳遞路徑，可有效指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)方案，幫助提升結(jié)構(gòu)性能和最大限度的進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。常見的拓?fù)鋬?yōu)化方法有變密度法、變厚度法和均勻化等方法，其中技術(shù)最成熟也是應(yīng)用最為廣泛的為變密度方法。在對升降平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，首先需要對整體骨架進(jìn)行篩選，找出升降平臺骨架中較為薄弱的部分或者對剛強(qiáng)度性能影響較大的地方，之后進(jìn)行優(yōu)化。這樣可以極大地降低計(jì)算成本，提高計(jì)算效率。拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型定義為：在給定系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的情況下，通過選取一組設(shè)計(jì)變量，求設(shè)計(jì)變量的值，使得目標(biāo)函數(shù)最小或最大。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式（1）中，g1和g2為約束方程，v為設(shè)計(jì)變量，x為狀態(tài)變量。其中，v是由x得出。該數(shù)學(xué)表達(dá)式的根本目的是通過求解設(shè)計(jì)變量v，使目標(biāo)函數(shù)最小。

拓?fù)鋬?yōu)化方法已廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。例如，2005年，Ogata Yuji Ogata等人采用拓?fù)鋬?yōu)化算法對雙層糊箱包裝平臺進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]，使其剛強(qiáng)度性能大大提升。在產(chǎn)品的正向開發(fā)過程中，可以將拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用于升降傳輸平臺的早期優(yōu)化與改進(jìn)設(shè)計(jì)中。對升降傳輸平臺的布局進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而獲得合理的升降傳輸平臺結(jié)構(gòu)。在后續(xù)設(shè)計(jì)中，可對基礎(chǔ)模型進(jìn)行優(yōu)化，充分利用拓?fù)鋬?yōu)化和改進(jìn)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。例如，在電動改裝轎車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)中，同濟(jì)大學(xué)高云凱等人將拓?fù)鋬?yōu)化改進(jìn)模式應(yīng)用于車身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中：利用有限元軟件對車身進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并對多狀態(tài)，多工況下進(jìn)行了分析[5]。

在對新型糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺的輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先對其基礎(chǔ)模型進(jìn)行剛度、強(qiáng)度、模態(tài)、振動等分析，考察其性能狀態(tài)。而后，針對性能狀態(tài)中的問題點(diǎn)或者性能過剩的點(diǎn)有針對性的進(jìn)行優(yōu)化;為了保證優(yōu)化后模型的可靠性，應(yīng)基于優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行重新建模并計(jì)算性能狀態(tài)，保證能在滿足要求的情況下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)的流程應(yīng)遵循圖2步驟。

建立拓?fù)鋬?yōu)化模型首先要定義設(shè)計(jì)空間，該設(shè)計(jì)空間內(nèi)的所有單元都會進(jìn)行變密度計(jì)算，而設(shè)計(jì)空間外的結(jié)構(gòu)則保持原有模式不變，因此，在選擇設(shè)計(jì)空間時(shí)既要考慮潛在的優(yōu)化區(qū)域同時(shí)還需讓優(yōu)化空間避開結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置。

如升降平臺的上層受力較小但其氣缸存在額外工況下的橫向運(yùn)動，需要保證一定的剛強(qiáng)度，因此不能設(shè)計(jì)的過弱。氣缸及其周邊結(jié)構(gòu)也不能作為設(shè)計(jì)區(qū)域，因此，定義設(shè)計(jì)區(qū)域僅為升降平臺框架本身的中間和下方區(qū)域。如圖3所示。

拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)需要設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)以及約束條件，參數(shù)設(shè)置的合理性將直接影響優(yōu)化結(jié)果。為了保證升降平臺結(jié)構(gòu)有最大的強(qiáng)度，可將優(yōu)化目標(biāo)定為剛度最大化，在軟件中可用應(yīng)變能來反應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛度，即應(yīng)變能越小，代表結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，整體剛度越大;反之，應(yīng)變能越大，結(jié)構(gòu)整體變形越大，剛度越小。而此次優(yōu)化的目的是為了進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，因此可以將約束條件設(shè)置為設(shè)計(jì)區(qū)域材料的體積分?jǐn)?shù)，即設(shè)計(jì)空間總體積的百分比，可確定材料的多少。

拓?fù)鋬?yōu)化的變量為設(shè)計(jì)區(qū)域單元的相對密度值，最大值1代表此處的材料完整保留，而最小相對密度0.01說明優(yōu)化后認(rèn)為該材料對結(jié)構(gòu)的性能并不重要，可以考慮刪除?？梢酝ㄟ^密度篩選將低密度的單元隱藏只保留高密度的區(qū)域，結(jié)果如圖4所示。圖4中可以看出優(yōu)化后骨架兩側(cè)縱向的管材料密度均小于0.1，說明兩側(cè)縱向的管對結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度并不敏感。而骨架其余的材料相對密度均勻較大的區(qū)域，說明結(jié)構(gòu)需要一定的支撐強(qiáng)度，不可過分弱化。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，概念優(yōu)化方案將兩側(cè)相對密度較低的方管替換成L型角鋼，降低對結(jié)構(gòu)性能不敏感區(qū)域的重量，減少材料的使用。優(yōu)化后的模型性能對比見表1，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力與原模型相比幾乎一致，沒有明顯的增大;而在對結(jié)構(gòu)不敏感的區(qū)域由方管替換為角鋼后，質(zhì)量降低了5.8%，結(jié)果表明通過拓?fù)鋬?yōu)化有效的去除了冗余的材料[6]。

4? 總結(jié)

糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺運(yùn)輸工作時(shí)間長、載重質(zhì)量大，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成本效率等方面均有較高的要求。本文以某型號糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺為研究對象，建立了結(jié)構(gòu)的三維模型，并進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。對今后糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺的設(shè)計(jì)與研究提供了參考，具有一定指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)的輕量化手段主要是從材料的選擇、工藝方法和人為的經(jīng)驗(yàn)判斷等方法進(jìn)行研究，效率低下且方向不明確，而拓?fù)鋬?yōu)化的方法更接近實(shí)際使用情況[7]，有針對性，相比于傳統(tǒng)方法，方向性更強(qiáng)、思路明確。本文基于有限元軟件通過拓?fù)鋬?yōu)化對升降傳輸平臺進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，找到對性能影響較小的結(jié)構(gòu)，通過替換為L型角鋼實(shí)現(xiàn)輕量化，最終在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移變化不大的情況下實(shí)現(xiàn)了5.8%的減重。

參考文獻(xiàn)：

[1]李春亭.三車翻車機(jī)主鋼結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析和優(yōu)化[J]. 鐵道車輛，2004（09）：7-9，45.

[2]Marklund P O， Nilsson L. Optimization of a car body component subjected to side impact[J]. Structural & Multidisciplinary Optimization， 2001， 21（5）： 383-392.

[3]魯春艷.輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其實(shí)施途徑[J].上海，2007，06：28-31.

[4]Yuji Ogata， Satoru Suzuki and Masami Hiraoka. Development of Topology Optimization Method for Reduction of Transmission Housing Weight[C]， 2005 SAE World Congress， Paper No. 2005-01-1699.

[5]高云凱，孟德建，姜欣.電動改裝轎車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析[J].中國機(jī)械工程，2006，23：2522-2525.

[6]高云凱，周曉燕，余海燕.城市公交客車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].公路交通科技，2010，09：154-158.

[7]趙麗紅，郭鵬飛，孫洪軍，寧麗莎.糊箱打包機(jī)升降傳輸平臺拓?fù)鋬?yōu)化與改進(jìn)優(yōu)化與改進(jìn)設(shè)計(jì)的發(fā)展、狀況及展望[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，01：46-49.