糊箱打包机升降传输平台的轻量化设计

王政

摘要：升降传输平台是全自动生产线的重要组成部分，为保证生产线稳定、高速的运输瓦楞纸板，升降传输平台具有较高的强度。而强度过剩会导致设备质量大、体积过于笨重、成本增加、工作效率底下等一系列问题，因此，需要兼顾结构强度和工作效率，而轻量化设计可使结构在满足性能的前提下实现节能、降低生产成本的目的。针对某企业项目，以糊箱打包机升降传输平台为研究对象进行轻量化，利用拓扑优化找到对性能影响较小的结构，通过变截面实现结构轻量化，最终在结构应力、位移变化不大的情况下实现了5.8%的减重。

关键词：糊箱打包机;升降传输平台;轻量化;拓扑优化

0  引言

糊箱打包机升降传输平台的主要功能是实现对物体的升降和传输，可做为传输瓦楞纸板的主要设备[1]。升降传输平台放置在糊箱打包机之后，能在短短20s内将散料升降和运输至下个环节，因此在实际生产生活中受到广泛的使用。升降传输平台给包装行业的生产带来了很多便利，但同时也一并存在着主要零部件过多、产品整备质量较大、生产利润空间小等一系列问题。因此，需要在设备依然能满足设计和使用要求的前提下进行优化设计，并对减重后的结构进行相关准则的校核，以确保轻量化的可行性[2]。

1  糊箱打包机升降传输平台几何模型

本文中的糊箱打包机升降传输平台是基于对某包装机械厂半自动糊箱打包机的改型，采用Solidworks软件建立结构的概念三维模型，该设备的主要功能是升降和传输，可通过普通气缸和无杆气缸实现结构的运动。其可运输的最大尺寸瓦楞纸板为：1100mm×1000mm×250mm，每层纸板的重量小于2kg。平台可上升的最大高度为300mm，由普通气缸完成升降工作;无杆气缸的传输距离1000mm，可实现物体的平移运动。一套完整的升、传输、降流程要求在12秒完成。

为了对该设备的结构强度进行分析，采用Solidworks软件建立升降传输平台的三维模型如图1所示，其结构尺寸为1350mm×1050mm×500mm，其中无杆气缸的总长1180mm，可推送的最大长度是1000mm。升降平台的整体骨架结构全部采用截面为40mm×40mm的方管搭建，材料为Q235普碳钢材料。在最初设计时，根据经验采取保守设计，保证结构强度由充分的余量，因此设计出的结构强度过剩，设计质量不好，为了进一步提升产品质量，需对结构进行优化设计。

2  升降传输平台轻量化设计

结构的轻量化设计是充分运用现代优化手段对结构进行合理的设计，需要在保证设备的基本工作条件、结构强度等综合性能与特征指标的情况下，尽量减轻设备的总体质量，从而达到提升动力性、为企业和消费者减少成本的目的，实现重量、利润空间和综合质量指标的良好平衡状态。糊箱打包机升降传输平台的轻量化设计可从材料后结构优化两个方面入手。

2.1 材料轻量化

通过为结构替换比重更小的材料而达到减重目的是最常见、最直接的轻量化方法之一。传统框架式升降平台使用最多的是钢材，它的生产成本较低，制造也相对容易，但质量相对较重，在老式的机械设备中比较常见。为了降低产品质量，有必要进行升降传输平台材料的优化，达到轻量化目的[3]。目前，升降传输平台用轻量化物质的开发正在加速，新型智能物质正逐步应用于升降传输平台的制造中。用高强度钢板和镁合金已应用于机械设备。由镁合金的比强度明显大于钢、铝等材料，因此具有天然的优势。而且镁合金还具有较好的减震降噪性能，能提升产品工作的平顺性。但镁合金的生产成本较高，过去只在少数性能优良的产品上应用，但随着近些年的研究与探索，镁合金的成本也逐渐下降，为其更广泛的应用提供了可能。因此，镁合金已成为结构轻量化的首选材料。

2.2 结构轻量化

传统的结构轻量化方法多采用根据工程师经验以及对过往产品数据库、竞品数据库进行总结分析，来指导结构的优化方向，其局限性很大、方向不明确，过于依赖人员的经验判断。而现代先进的优化设计方法多采用有限元仿真的手段对产品设计进行指导和优化。通过有限元方法的结构轻量化设计需基于结构的性能分析，通过对升降传输平台的受力状态进行力学分析，保证升降传输平台在工作状态中能满足刚强度的需求，并在满足性能要求的前提下去除一些受力较小部位的材料，反之也可对薄弱部分进行适当的加强，从而实现升降传输平台的轻量化设计。利用有限元手段的拓扑优化、尺寸优化等方法自上世纪60年代开始，广泛应用于航空、航天以及汽车领域。

基于有限元手段的结构优化方法基本流程为根据现有的数据、图纸对升降平台进行三维实体建模，接着可通过查阅资料、分析计算得到升降传输平台在工作时所受的载荷情况，为了对升降传输平台进行受力分析，需要将所建立的三维模型导入CAE软件中，进行相应的约束、施加载荷、划分网格、定义升降传输平台的材料属性，对实际受载状态进行模拟，查看是否有材料破坏、失效的风险，根据有限元分析结果考虑结构优化的可行性，随后重构升降传输平台的优化三维模型，最后重复上一步骤进行有限元分析，若分析结果满足目标要求则可以完成轻量化设计，若分析结果显示更改后的模型不满足性能要求，则方案不能被采纳，需要进行重复的修改，直至设计状态满足性能要求。

3  升降平台的拓扑优化设计

拓扑优化技术是在特定约束条件下给出设计空间内材料最佳分布方案的方法，它可以快速找到结构受载时力的主要传递路径，可有效指导工程设计方案，帮助提升结构性能和最大限度的进行轻量化设计。常见的拓扑优化方法有变密度法、变厚度法和均匀化等方法，其中技术最成熟也是应用最为广泛的为变密度方法。在对升降平台进行结构优化前，首先需要对整体骨架进行筛选，找出升降平台骨架中较为薄弱的部分或者对刚强度性能影响较大的地方，之后进行优化。这样可以极大地降低计算成本，提高计算效率。拓扑优化的数学模型定义为：在給定系统目标函数的情况下，通过选取一组设计变量，求设计变量的值，使得目标函数最小或最大。其数学表达式为：

式（1）中，g1和g2为约束方程，v为设计变量，x为状态变量。其中，v是由x得出。该数学表达式的根本目的是通过求解设计变量v，使目标函数最小。

拓扑优化方法已广泛应用于各类机械结构的轻量化设计。例如，2005年，Ogata Yuji Ogata等人采用拓扑优化算法对双层糊箱包装平台进行了优化设计[4]，使其刚强度性能大大提升。在产品的正向开发过程中，可以将拓扑优化应用于升降传输平台的早期优化与改进设计中。对升降传输平台的布局进行优化改进，从而获得合理的升降传输平台结构。在后续设计中，可对基础模型进行优化，充分利用拓扑优化和改进，进一步提升产品的设计质量。例如，在电动改装轿车车身结构拓扑优化改进设计中，同济大学高云凯等人将拓扑优化改进模式应用于车身的结构优化中：利用有限元软件对车身进行了优化改进，并对多状态，多工况下进行了分析[5]。

在对新型糊箱打包机升降传输平台的轻量化设计时，应首先对其基础模型进行刚度、强度、模态、振动等分析，考察其性能状态。而后，针对性能状态中的问题点或者性能过剩的点有针对性的进行优化;为了保证优化后模型的可靠性，应基于优化结果进行重新建模并计算性能状态，保证能在满足要求的情况下进行轻量化设计，进行拓扑优化时的流程应遵循图2步骤。

建立拓扑优化模型首先要定义设计空间，该设计空间内的所有单元都会进行变密度计算，而设计空间外的结构则保持原有模式不变，因此，在选择设计空间时既要考虑潜在的优化区域同时还需让优化空间避开结构的关键位置。

如升降平台的上层受力较小但其气缸存在额外工况下的横向运动，需要保证一定的刚强度，因此不能设计的过弱。气缸及其周边结构也不能作为设计区域，因此，定义设计区域仅为升降平台框架本身的中间和下方区域。如图3所示。

拓扑优化时需要设置优化的目标以及约束条件，参数设置的合理性将直接影响优化结果。为了保证升降平台结构有最大的强度，可将优化目标定为刚度最大化，在软件中可用应变能来反应结构的刚度，即应变能越小，代表结构越稳定，整体刚度越大;反之，应变能越大，结构整体变形越大，刚度越小。而此次优化的目的是为了进行轻量化设计，因此可以将约束条件设置为设计区域材料的体积分数，即设计空间总体积的百分比，可确定材料的多少。

拓扑优化的变量为设计区域单元的相对密度值，最大值1代表此处的材料完整保留，而最小相对密度0.01说明优化后认为该材料对结构的性能并不重要，可以考虑删除。可以通过密度筛选将低密度的单元隐藏只保留高密度的区域，结果如图4所示。图4中可以看出优化后骨架两侧纵向的管材料密度均小于0.1，说明两侧纵向的管对结构刚强度并不敏感。而骨架其余的材料相对密度均匀较大的区域，说明结构需要一定的支撑强度，不可过分弱化。

根据拓扑优化的结果，概念优化方案将两侧相对密度较低的方管替换成L型角钢，降低对结构性能不敏感区域的重量，减少材料的使用。优化后的模型性能对比见表1，优化后结构的最大位移和最大应力与原模型相比几乎一致，没有明显的增大;而在对结构不敏感的区域由方管替换为角钢后，质量降低了5.8%，结果表明通过拓扑优化有效的去除了冗余的材料[6]。

4  总结

糊箱打包机升降传输平台运输工作时间长、载重质量大，对结构强度和成本效率等方面均有较高的要求。本文以某型号糊箱打包机升降传输平台为研究对象，建立了结构的三维模型，并进行了轻量化设计。对今后糊箱打包机升降传输平台的设计与研究提供了参考，具有一定指导意义。

传统的轻量化手段主要是从材料的选择、工艺方法和人为的经验判断等方法进行研究，效率低下且方向不明确，而拓扑优化的方法更接近实际使用情况[7]，有针对性，相比于传统方法，方向性更强、思路明确。本文基于有限元软件通过拓扑优化对升降传输平台进行轻量化设计，找到对性能影响较小的结构，通过替换为L型角钢实现轻量化，最终在结构应力、位移变化不大的情况下实现了5.8%的减重。

参考文献：

[1]李春亭.三车翻车机主钢结构的有限元仿真分析和优化[J]. 铁道车辆，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]鲁春艳.轻量化技术的发展现状及其實施途径[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]高云凯，孟德建，姜欣.电动改装轿车车身结构拓扑优化分析[J].中国机械工程，2006，23：2522-2525.

[6]高云凯，周晓燕，余海燕.城市公交客车车身结构拓扑优化设计[J].公路交通科技，2010，09：154-158.

[7]赵丽红，郭鹏飞，孙洪军，宁丽莎.糊箱打包机升降传输平台拓扑优化与改进优化与改进设计的发展、状况及展望[J].辽宁工学院学报，2014，01：46-49.