基于Optistruct的拉臂稳定装置结构优化

朱冰 李伟 任淑燕 王凯

长治清华机械厂 山西长治 046000

基于Optistruct的拉臂稳定装置结构优化

朱冰 李伟 任淑燕 王凯

长治清华机械厂 山西长治 046000

面对日益严峻的市场形势，对专用车的各项性能提出了巨大挑战，以节能为目标的轻量化设计成为各厂家所追求的目标。针对拉臂稳定装置，以产品轻量化为目标，以Optistruct软件为平台，通过拓扑优化方法，在提高结构刚度的基础上，大幅度降低了结构重量，得到了一种新型稳定装置，为今后的结构设计提供了一种新思路。

拉臂稳定装置 拓扑优化 Optistruct

1 前言

稳定装置是拉臂机构的重要组成部分之一，一般安装于底盘尾部，当拉臂钩取车厢时，稳定装置与地面接触，起到支撑作用[1]。目前我厂使用的稳定装置结构如图1所示。

该稳定装置主要由上支架、下支架、滚轮及稳定油缸组成。当其工作时，油缸伸出，滚轮与地面接触，将载荷传递至地面；当处于非工作状态时，油缸收回到位，稳定装置附于底盘上并随车运输。

由上可知，当稳定装置不工作时，它将作为整车的负载，如果在保证结构刚度不损失的情况下，减轻稳定装置的自重，则能够提升整车性能、节约原材料以及降低成本。因此，对稳定装置进行结构优化具有重要意义。

拓扑优化是一种数学方法，目的是在给定的空间结构中生成最优的形状及材料分布。其优点是在不知道结构具体形状的前提下，根据已知边界和载荷条件确定较合理的结构形式，为设计人员提供最优设计方案。在拓扑优化中，每个单元的密度值将作为设计变量，在0～1之间连续变化，材料的刚度被假想成与密度成线性关系，通过这种方法，结构的不连续问题被转化为连续的密度分布问题[2]。

Optistruct是一款面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球先进的优化技术，为用户提供全面的优化方法。

2 稳定装置刚度研究

稳定装置的主要自重由上、下支架分担，现有结构中，上支架质量为23.9 kg，下支架质量为24.1 kg。本次优化以两支架为研究对象。

首先计算现有结构的刚度，作为后续优化的结构刚度参考指标。利用HyperMesh建立上下支架的有限元模型。为了得到较全面的结构刚度信息，定义3种上支架计算工况、4种下支架计算工况（如表1），其示意图如图2所示。

表1 上、下支架工况载荷表

通过计算，可得上、下支架的位移，如图3、4所示。

取上、下支架的下方连接点为研究对象，作为优化分析的理论参考值（如表2），即优化后的结构刚度位移需小于此值。

3 稳定装置优化模型的建立

如图5所示，定义支架的被约束部分及加载部分为非设计区域（藏蓝色区域），在拓扑优化时，非设计区域结构将保持不变。主要承载结构为设计区域（黄色及青色区域），其形状被定义为块状封闭空间，程序将在设计区域内进行结构拓扑，为了不与油缸干涉，各支架的设计区域中避开了稳定油缸所在位置[3]。

表2 上、下支架各向位移数值表

4 初步优化结果

以结构体积最小化为优化目标，对结构进行优化分析，经计算后，上、下支架的密度分布等值面图如图6所示。图6中显示了经优化后相对密度大于0.3的结构部分（注：红色部分相对密度为1，表示不可优化部分）。

5 优化区域重定义

在图6中，软件给出了最优的材料概念分布，但未考虑结构的可加工性能，而该优化结构明显不利于加工。目前，在特种车辆、工程机械领域中，板材焊接结构占主导地位。因此，参考图6中给出的材料分布模型及结构，重新定义优化区域，此次优化区域全部由板材构成，以确保优化后的结构可加工性更好，板材尽量布置在材料相对密度较大的区域内，其中，上支架设计区域中板厚为5 mm，下支架为4 mm。其拓扑结构模型如图7所示。

6 最终优化结果

在重新定义的区域内进行结构优化，其中，各向位移限定值保持不变，得到最终的优化结构如图8所示。

经过最终的结构优化后，程序在板材拓扑结构中找到了最优的材料分布，可以通过Optistruct软件自带的OSSmooth工具将优化后的结构导出为IGES格式文件，并导入至UG设计软件中，设计师可以根据图8中的概念结构特点对稳定装置进行重新建模，经重新设计后，新型的稳定装置上、下支架结构如图9所示。

7 新结构刚度验证

为了验证新设计结构的刚度性能，利用HyperMesh对新结构进行网格划分，生成有限元模型，对模型施加表1所列载荷，进行刚度分析，并与原有结构进行对比，新稳定装置上、下支架的各工况位移云图如图10、11所示。

由图10、11可知，新稳定装置上、下支架的各向位移均小于设计值（见表2），新结构刚度提高，满足设计要求。

8 校核分析

通过Optistruct软件，对拉臂稳定装置刚度进行了研究，并以结构轻量化为目标，对结构进行优化。通过分析计算，在提高了结构刚度的基础上，成功降低了结构自重。现将参考点优化前后结构自重对比列于表3。

由表3分析可知，对比原有结构，结构刚度有显著提高，使稳定装置的可靠性进一步增强，同时上下支架的自重由原有的48 kg降低至36 kg，整车质量更轻便，节能性更好。经过优化设计后的拉臂稳定装置如图12所示。

9 结论

在能源形势日趋严峻的今天，如何高效准确的研发出轻量化产品对于各企业而言都至关重要。本文以稳定装置为例，通过拓扑优化算法，成功提高了结构刚度，并降低了稳定装置的自重，为今后的整车轻量化开发提供基础，也为该类车型结构设计方式提供了一种新思路。当然，本次研究虽然提供了一种新型结构形式，但是在具体设计时，应考虑实际情况，对结构进行适当改良，以满足生产要求，真正达到优化的目的。

[1] QC/T 848-2011,拉臂式自装卸装置[S].

[2] 张胜兰,郑东黎,郝琪等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社,2007.

Structure Optimization for Hooklift Arm Stabilizing Device Based on the Optistruct Software

ZHU Bing et al

The increasingly severe market situation has been posing great challenge for all aspects of special purpose vehicles.All manufactures choose to pursue more light-weight design aiming at cost reduction.In this article, with hooklift arm device as an example, a new stabilized device is proposed based on Optistruct software and topological optimization, it strengthens the structure stiffness while greatly reduce the structure weight.Hopefully this can provide a new idea for structure design.

hooklift arm stabilizing device; topology optimization; Optistruc

U469.79.03

A

1004-0226(2016)06-0082-04

朱冰，男，1987年生，工程师，现从事改装车及型号产品研发工作。

2016-03-17