上传动快锻压机活动横梁结构拓扑优化分析

姜 峰，马学鹏，何琪功

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司， 甘肃 兰州 730050)

·设计计算·

上传动快锻压机活动横梁结构拓扑优化分析

姜 峰，马学鹏，何琪功

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司， 甘肃 兰州 730050)

利用SolidThinking Inspire拓扑优化分析软件，对45 MN快锻压机活动横梁进行结构优化。建立活动横梁的优化分析模型，以活动横梁整体刚度最大为优化目标，利用先进的OptiStruct优化求解器进行优化求解，得到活动横梁质量降低65%的最优设计方案，并对最优设计方案进行3D模型再造及设计强度分析，验证活动横梁拓扑优化分析结果的可靠性。

快锻压机；活动横梁；SolidThinking Inspire；拓扑优化

0 前言

大型锻压机作为一种重要的金属压力加工设备，其在国民经济各部门获得了广泛的应用。锻压机大都采用三梁(上梁、下梁和活动横梁)的结构型式，其主要结构一般由铸钢浇铸而成。活动横梁一般承受液压缸柱塞的输出力及砧子压缩工件的反力作用，是锻压机的主要受力部件，同时，活动横梁的刚度将直接影响锻压机的成型精度。因此，在锻压机的设计中，如何做到使活动横梁的刚度强度达到设计要求就成了大型锻压机设计的关键技术之一。采用现代设计方法对活动横梁进行结构优化设计，对提高使用寿命、成型精度、增加经济效益具有重要意义[1]。文献[2-6]研究了机架、上横梁、组合式下横梁的结构有限元强度刚度，并注明了分析中的关键步骤和注意事项。文献[7]利用有限元分析的方法进行强度校核-结构改进-再校核-再改进的方式完成了上横梁结构改进设计。目前尚无活动横梁概念优化设计方面研究的报道。

以往在对锻压机主要结构件进行“优化设计”，主要依靠人工反复“修正设计参数-再分析”的方法来寻找较优的设计方案，不仅过程冗长，而且结果受人工干预的因素较多。本文将基于SolidThinking Inspire的拓扑优化方法，提出活动横梁的概念设计。以模型整体刚度最大为优化目标，同时使模型的强度满足设计要求，改变传统经验设计。通过对45MN快锻压机活动横梁的设计验证，取得了明显的经济效益，而且极大的提高了设计的效率和改善了产品结构的合理性。

1 活动横梁的分析

活动横梁与工作缸的柱塞相连以传递液压机的作用力，左右两边安装有导向套，以立柱为往复运动的导向，下表面安装和固定模具或砧子，因此活动横梁应有足够的承压能力，同时活动横梁还应具有一定的刚度与抗弯能力。活动横梁的安装布置形式如图1所示。立柱通过上下横梁组成的机架部件安装于地面上，所以可以认为是相对固定的部分，活动横梁通过导向套与立柱相连，所以可以将活动横梁的受力及约束状态用如图2所示表达。

1.活动横梁 2.立柱 3.导套图1 活动横梁装配示意图Fig.1 Schematic diagram of assembly of movable beam

图2 活动横梁受力及约束状态Fig.2 Stress and constraint condition of the movable beam

2 活动横梁的拓扑优化分析

2.1 SolidThinking Inspire软件介绍

SolidThinking Inspire是数字产品开发中的一项具有开拓性的成果，它在一个友好易用的软件环境中提供了仿真驱动设计的工具。它应用于设计的早期，帮助用户生成和探索高效的结构基础。SolidThinking Inspire采用美国Altair公司先进的OptiStruct优化求解器，根据给定的设计空间、材料属性及受力需求生成理想的形状，根据软件生成的结果进行再设计。应用Inspire进行前期概念设计，既能提升产品的结构质量，同时又奠定了优越的结构基础，从而提升了整个设计流程的效率。

2.2 活动横梁拓扑优化分析模型的建立

用于拓扑优化分析的活动横梁模型需要满足以下条件：拓扑优化分析的前提要保证活动横梁的安装及与液压缸、上砧总成的配合安装，所以按照设计的总体尺寸大小，首先确定预留安装位置的大小及尺寸，将剩下的部分定义为设计空间，如图3所示。

图3 活动横梁拓扑优化分析模型的 建立及约束的施加Fig.3 Establishment of the movable beam topology optimization model and constraints imposed

2.3 拓扑优化分析的约束条件

活动横梁的约束条件的原理如图2所示，所以将活动横梁分析模型的安装导向套的部分施加x、z方向的约束，释放y方向约束。活动横梁与上砧总成连接的部分提供反作用力，属于位移边界条件，所以施加y方向的约束，释放x、z方向约束。活动横梁上部安装有三个不同的油缸，按照极限工况，中间液压缸输出29 MN作用力，两端侧缸各输出8 MN作用力。活动横梁拓扑优化分析的约束条件如图3所示。

2.4 拓扑优化分析的形状控制

从图1所示的活动横梁模型示意图中可以看出，活动横梁满足两个方向上的对称条件，所以激活竖直与左右两个对称平面。在水平面上施加一个拔模方向的控制，在分模平面上可以按照受力情况局部控制材料的增减。形状控制如图3所示。

2.5 拓扑优化分析选项

选择Mass target(质量目标)为“% of Total Design Space Volume(总设计空间体积的百分比)”，并选择百分比为35%。控制Minimum(最小厚度)为50 mm，控制Maximum(最大厚度)为300 mm。控制加速度方向为-γ，即考虑自身重力的影响。

2.6 活动横梁的拓扑优化分析的结果

在SolidThinking Inspire软件中运行拓扑优化分析计算后，得到了如图4所示的活动横梁的优化分析结果。按照图3定义的设计空间的材料大幅度减少，最终形成图4所示的W形状，说明活动横梁在整个受压、受弯的使用工况下，W形状的材料是必须存在的，同时保证了整体刚度最大。活动横梁拓扑优化的结果颠覆了传统的设计理念。

图4 活动横梁的拓扑优化分析结果Fig.4 Topology optimization analysis results of the movable beam

3 优化分析模型的强度刚度分析

3.1 优化分析模型的变更

完成图4所示的拓扑优化分析后，需要将拓扑优化分析后的结果形成的拓扑优化形状在3D软件中进行模型再造。模型再造过程中，一是需要兼顾拓扑优化分析的结果，二是要满足设计、制造的标准，最后还要保证设计的美观，活动横梁拓扑优化分析结果的模型再造如图5所示。在SolidWorks软件中完成3D再造模型的建立，首先可以确定优化分析后的再造模型的质量较拓扑优化分析之前是否有所减低；其次为进行拓扑优化分析后的模型的强度分析提供3D模型基础。

图5 活动横梁的拓扑优化分析后的模型再造Fig.5 Redesigned model of movable beam based on the topology optimization analysis

3.2 优化分析变更模型的强度分析

活动横梁拓扑优化分析后的结果虽然保证了最大刚度的优化目标，但是优化后的活动横梁是否满足设计的强度要求还需要进行分析判断。所以将在SW中建立的3D模型导入到HyperMesh软件中进行网格划分，保证强度分析中需要的优质网格。然后按照拓扑优化分析建模的相同约束条件进行受力及边界条件的处理，如图6所示。计算后得到的分析结果如图7所示，最大等效应力为122.5 MPa，设计中选择的材料为ZG270-500，屈服极限为270 MPa，满足了设计中要求的最低安全系数为2的要求。

图6 变更模型的网格划分及约束的处理Fig.6 Mesh and constraints of the redesigned model

图7 变更模型的计算结果Fig.7 The calculation results of the redesigned model

4 结论

依据活动横梁的特点，利用SolidThinking Inspire软件进行概念设计，以整体刚度最大为优化目标，对活动横梁进行拓扑优化分析，最终得到活动横梁的最优设计形式。在满足设计强度要求的前提下，再造模型的质量较原始模型的质量低了7.3 t，节省材料费用10万余元，优化效果较为明显，且从建模、加载求解，形状控制、结果提取等操作几乎非常简便，可以最大限度的提高设计效率，获得明显效益。

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Research on topology optimization for the movable crossbeam of fast forging press

JIANG Feng, MA Xue-peng, HE Qi-gong

(Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co., Ltd., Lanzhou 730050, China)

The paper presents an analysis model of topology optimization to movable crossbeam of 45MN fast forging press by the SolidThinking Inspire. The optimal analysis model of the Movable Crossbeam is constructed, and the maximum stiffness of movable crossbeam is the objective function, by adopting the advanced OptiStruct solver, the optimal design scheme of total weight of the design space reduced by 65% is obtained. Besides, the new 3D model based on the optimal design scheme is redesigned and calculated using FEA. Finally, the reliability of the analysis results is verified.

fast forging press; movable crossbeam; SolidThinking inspire; topology optimization

2015-10-11；

2015-10-29

国家科技支撑计划项目(2007BAF28B01)；国家自然科学基金项目(51265022)

姜峰(1981-)，男，山东蓬莱人，硕士，工程师，主要从事结构优化设计工作。

TG315

A

1001-196X(2016)02-0058-04