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基于Hyper wor ks 的底盘刚度优化分析

2020-09-29裴娟苗许富青

工程建设与设计 2020年16期
关键词:圆钢传力槽钢

裴娟苗,许富青

(湖南三一快而居住宅工业有限公司研究院,长沙410011)

1 优化计算

1.1 尺寸优化

如图1 所示,某款成熟底盘主要由支腿侧板、前加强板、长封板、加强圆钢、外折弯槽钢和支腿顶板组成(见图1)。

图1 某款成熟底盘结构

为了采用Hyperworks 对此底盘进行优化计算,将各板厚均由设计变量代替,即设支腿侧板为DV1,前加强板为DV2,长封板为DV3,加强圆钢为DV4,外折弯槽钢为DV5,支腿顶板为DV6。将板厚定义为设计变量,将底盘刚度不低于原结构定义为约束条件,将总质量最小定义为优化目标[1~3]。以75°~135° 5 个姿态为计算工况,采用尺寸优化计算结果如表1 中优化值1 列所示。

表1 尺寸优化计算结果mm

由表1 数据可知,支腿板厚对此底盘的刚度影响有限,在尺寸优化中已由15mm 减小到5mm,支腿质量相比于原结构下降了60%。大梁外折弯槽钢与长封板厚度基本没变,但加强圆钢的尺寸被大幅度增加。此计算结果也说明加强圆钢处的扭转刚度还需要继续加强。

为了验证经过尺寸优化后的底盘结构的强度是否达标,本文对尺寸优化后的结构进行了强度分析。分析结果显示,经过尺寸优化后的底盘结构,大片应力均在400MPa 以下(底盘材料为SG1000),说明支腿的厚度优化减薄后,并不影响该底盘的总体强度。图2 为尺寸优化后的底盘在135°工况时的受力分析云图。

图2 尺寸优化后的底盘受力分析云图

将约束条件定义为底盘刚度提升2 倍,利用与上面相同的优化方法,对板厚进行优化,所得结果如表1 中优化值2 列所示。

由表可见,当底盘扭转刚度提升2 倍时,支腿板厚依然被减薄至5mm,但大梁的折弯槽钢与长封板厚度基本也提升了2 倍。显然这种优化方案并不经济,在增加刚度的情况下,底盘的质量也成倍增加。由此可知,如果在不改变底盘主体结构的前提下,直接通过板厚的改变提升底盘的扭转刚度并不可行。所以,本文后续在对此底盘进行尺寸优化的基础上,采用拓扑优化[4,5]的办法继续寻求结构优化途径。

1.2 拓扑优化

由尺寸优化的结果可知,减薄支腿板材厚度时,加强圆钢的尺寸得到了大幅度的增加。此计算结果说明,要提升底盘的扭转刚度,提高加强圆钢处的结构灵敏度比增加支腿的板材厚度可行。为了更有效地提升底盘刚度,本文对影响底盘刚度灵敏度的较高结构处进行了拓扑优化,寻求在75°~135°工况下的最优传力路径。

如图3 所示,在底盘刚度薄弱处,增加网格,将大梁连接为一个整体。将增加的单元作为优化对象,将底盘的刚度提升2 倍作为约束条件,将底盘总质量最小作为优化目标。

在75°~135°工况下,运行计算可得最优传力路径如图4 所示。

图3 增加网格后的单元

图4 最优传力路径

沿此路径对底盘加强后,底盘整体刚度如表2 所示。由表2 可知,在原结构上采用拓扑优化计算后,实际的扭转刚度提升了2 倍以上。

表2 底盘整体刚度mm

依据尺寸优化方案,修改实体设计后,支腿梁减重210kg。由拓扑优化所得传力路径增加斜筋后,实际质量增加了250kg。结合尺寸优化与拓扑优化的设计方案,估算底盘增加的总质量为50kg(考虑全工况计算,实际增加质量为100kg)。即结合尺寸优化与拓扑优化的计算结果,在底盘质量增加100kg 的前提下,该底盘的扭转刚度能提升2 倍以上。

2 结论

利用有限元分析手段,对目前上市销售的某款工程机械底盘进行了优化计算的详细分析,尝试寻求提升刚度的最优方案。通过本文优化计算后可得如下结论:

1)该底盘受力状态良好,且支腿板材厚度可以由15mm更改为5mm。

2)该底盘扭转刚度薄弱处为“加强圆钢处”,沿本文的优化路径进行加强后,该底盘的扭转刚度能提升2 倍以上。

3)本文的结构优化思路以及计算方法对以后的新品开发、结构优化有一定的借鉴意义。

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