基于ANSYS拓扑优化的泥门插销轻量化设计研究

潘旭皓

（中交上海航道装备工业有限公司，上海 200120）

泥门启闭装置作为耙吸挖泥船上的核心疏浚装备之一，起到抛泥、卸泥的作用，是耙吸挖泥船泥舱段的核心组成部分。一套泥门启闭装置的好坏直接决定了整船的疏浚性能，而泥门插销在水上调遣以及突发天气影响时常用来固定泥门启闭装置，防止泥门启闭装置松动，保障整个泥舱系统的安全稳定。传统的泥门插销形式往往为楔形结构，整体铸造，这种形式的泥门插销强度较高且变形量较小，适合水上调遣时使用，然而其重量往往大于150kg，过大的重量常常导致其操作较为困难。随着泥舱容量的增大，泥门启闭装置的结构也逐渐增大，泥门插销亟待进行轻量化改善，提高其可操作性能。

自21世纪初以来，结构优化的概念得到广泛的运用。一方面，由于结构优化可以最大限度的减少材料的使用，减少生产成本以及对环境的影响；另一方面，结构优化可以优化材料的分布，最大限度地提高零件的性能。拓扑优化是结构优化的一种形式，拓扑优化是一种根据实际的工况、约束以及性能要求等因素，对指定零件的材料分布进行优化的方法，通过拓扑优化可以得到最优的传力路径，以及满足规定的减少材料量的同时最大化结构刚度的结构形式。

本文基于ANSYS仿真计算平台，将泥门插销作为研究对象，综合考虑轻量化、结构强度以及变形量，旨在得到一种较优的泥门插销形式，为未来泥门插销的设计提供参考，为后续的疏浚装备轻量化设计奠定基础。此外，轻量化设计在节省材料的同时也有助于环境保护、节能减排，响应 “碳达峰”“碳中和”政策。

1 数学模型

1.1 泥门插销结构

泥门插销的结构类似一种楔形结构，其中，2个面为梯形，其余4个面为长方形，该结构的大致外形如图1所示。该结构上的吊耳、吊环等结构均有助于现场人员操作，便于泥门插销更好地安放到指定位置。

图1 泥门插销结构图

1.2 泥门插销受力分析

泥门插销是船舶水上调遣时的必备锁紧装备。其锁紧后的结构如图2所示。

图2 泥门插销锁紧状态结构图

如图2所示，泥门插销在锁紧时主要的受力为泥门装置（除液压油缸）的重力、泥舱内水体对泥门的压力以及海水作用在泥门上的浮力的合力。泥门插销的上端受力面积约占泥门插销上表面面积的54%。

2 研究方法

2.1 强度计算理论

本文主要采用线性静力学分析方法，计算稳定载荷条件下对泥门插销结构的影响。此处由于刚体本身的性质，只考虑重力的影响，忽略其他惯性和阻尼效应的影响。通过静力学分析可以得到由于泥门装置自身重力、泥舱内的水压力以及船底的浮力综合作用下产生的泥门插销结构的应力、应变以及变形量。

2.2 拓扑优化理论

拓扑优化属于外形结构优化，是一种分析寻找在载荷作用下最佳材料分布方案的手段。目前，本文主要采用“最大刚度”设计的拓扑优化方法，确保刚度、材料分布以及变形量都处于一个合理的范围内。该方法是一种在定义域内对材料分布进行优化的数学方法，通过将定义域划分成多个子区域，借助ansys静力学分析软件得到的强度分析结果，按照相应的优化策略（本文以减少泥门插销质量为目标）从子区域中适当删减一定的网格，然后通过保留下来的网格进行拓扑优化，通过多次迭代寻找在给定优化策略下的最优解。

3 模型设置

3.1 网格划分

本文所定义的物理环境为结构分析（Mechanical），每个网格单元的尺寸控制在0.5mm，网格总体控制采用自适应网格，网格整体质量控制在0.2以上。计算模型的网格划分如图3所示，网格节点数为171325，网格单元数为108631。

图3 泥门插销网格划分结果

3.2 强度计算边界条件

本文为线性静力学强度计算，在材料定义时主要考虑泊松比和杨氏模量。此处，泥门插销的材料设置如表1所示。

表1 泥门插销材料设置

本文坐标系采用直角坐标系，只有一个体，不考虑各个面之间的接触约束以及交界面的影响；考虑重力对泥门插销的影响，重力加速度方向垂直于泥门插销的下底面，大小为9.8m/s2；外界对泥门插销的作用力垂直作用在泥门插销的上表面，大小此处假定为750kN。由于下底面固定在外界的基座上，此处下底面设置为固定约束，不考虑下底面的变形和位移。最终的边界条件如图4所示。

图4 强度计算边界条件

3.3 拓扑优化设置

本文采用基于密度的拓扑优化方法，考虑到设计的合理性，上下表面须保持现有造型，即上下表面不进行拓扑优化，只考虑中间部分的拓扑优化。优化目标为最小柔度（最大刚度）。响应约束为保留质量，本文主要进行了保留95%、90%、85%、80%、75%、70%、60%、50%、40%质量（仿真输入条件）的计算，综合评估最大应力、最大变形量以及材料去除量，得到最优目标。

4 结果分析

为了有效评估泥门插销的优化情况，本文通过采用有限元分析计算软件，结合拓扑优化方法，分析了试块最大应力σ、试块最大变形量X与材料去除量R之间的关系。最终计算结果如下。

4.1 材料拓扑优化过程结果分析

图5是采用有限元软件仿真计算得到的泥门插销的拓扑优化演变过程图，分别计算了材料剩余量R从5%～60%间的结构变化过程。从图5可以看出，泥门插销中间部分区域是一个受力较小或者说受力可以被分摊掉的位置。同样，包括一些边界位置也是受力较小或者受力容易被均摊到其他地方的位置。从最终的样式来看，泥门插销逐渐被优化成拱桥状，这种拱形设计一方面节省了材料，操作起来更加轻便快捷，另一方面也更加简洁美观，更加符合现代设计的理念。

图5 插销拓扑优化图

4.2 材料去除量与最大应力之间的关系

如图6所示，随着材料去除量的增加，试块的最大应力逐渐增大，这也表明了随着材料去除量的增加，泥门插销的强度是逐渐下降的，但是总体还是在许用应力以下，在安全范围以内。此外，从图6上可以看出，材料增加的最大应力的变化不是线性增长，材料去除量R从0%变化到22%时，斜率较为平缓，从22%变化到35%基本为水平线，从35%之后曲线斜率骤然增大。此处将这种现象定义为一个量变到质变的过程，从0%～22%为低线性增长段，22%～35%为过渡段，35%之后为高线性增长段，当进入高线性增长段后，材料的强度极易超过许用应力，所以在优化设计时尽量不把最优点放置在高线性增长段。

图6 试块最大应力与材料去除量关系图

4.3 材料去除量与最大变形量之间的关系

如图7所示，随着材料去除量的增加，试块的变形量逐渐增大，而且当材料去除量超过35%时，试块的变形量陡增且变形量相较于原始试块增加了一个数量级。因此，本文认为当材料去除量小于35%时试块处于小变形区域，而当材料去除量不小于35%时材料处于大变形区域，而小变形区域，本文认为是一个拓扑优化的安全区域，超过这个区域对于整个装备的安全性能存在风险。

图7 试块最大变形量与材料去除量关系图

4.4 总结

综上所述，当材料去除量在22%～35%之间，最大变形量和最大应力均处于安全范围，而且由于X-R曲线中22%～30%这段的斜率小于30%～35%这段的斜率，б-R曲线中22%～30%这段的斜率基本和30%～35%这段的斜率相似。所以，本文认为22%～30%这段是最适合实际运用的，而且材料去除量越大越好，所以本文认为，30%的材料去除量对于泥门插销来说是最优的。

5 结语

泥门插销作为泥门装置的关键装备之一，其结构存在较大的优化空间，本文通过拓扑优化理论将泥门插销的重量减少了30%，实现了对泥门插销的轻量化设计。一方面，这种设计切合时下低碳工业的愿景；另一方面，让该装置人工操作起来更加便捷。

随着如今耙吸挖泥船船型、舱容的不断增大，疏浚装备也继续增大其规格，但是一味增加规格重量容易导致资源材料的分配不合理，本文希望通过针对泥门插销的轻量化设计为后续的其他疏浚装备的轻量化设计提供思路，为未来的现代化耙吸挖泥船的建造工作提供一定的理论支撑。