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基于拓扑优化方法的某型叉车油缸支座优化设计 |
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作者：张岩 吴小峰 李戈操 |
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摘要：基于拓扑优化理论和有限元方法，采用OptiStruct对某型叉车油缸支座进行了拓扑优化分析。得出最优材料分布方案后，对油缸支座进行结构重新设计。结果表明，拓扑优化后油缸支座的刚度和强度都比原始设计的要强，质量也更轻。
引言
拓扑优化技术作为以提高结构性能或减轻结构质量为目标的一种新兴结构设计方法,目前已广泛在国外汽车企业得到成功应用。Altair公司技术报告表明：在车架轻量化设计中，结构优化技术涵盖了从概念设计阶段、基本设计阶段到详细设计阶段的全流程，在概念设计阶段起主要作用的拓扑优化技术得到了全面展示。
油缸支座为叉车中的重要零部件，其主要作用是连接起重系统与车架直接，实现起重系统的前倾与后倾，其强度和刚度直接影响到整车的安全性。本文基于OptiStruct优化技术，运用有限元和拓扑优化方法实现了油缸支座优化设计，支座优化结果为类似结构的拓扑优化设计提供了参考。
1 工况确定
综合考虑叉车在实际中的使用情况，现确定3种典型工况：
①门架前倾工况：油缸支座处承受34500N力，方向水平向上20.5°，油缸支座底部和侧面与车架焊接处全约束；
②门架直立工况：油缸支座处承受31200N力，方向水平向上26.5°，油缸支座底部和侧面与车架焊接处全约束；
③门架后倾工况：油缸支座处承受29400N力，方向水平向上38.5°，油缸支座底部和侧面与车架焊接处全约束。
2 油缸支座拓扑优化模型建立
油缸支座原始结构如图一所示。根据部件实际使用情况，将其主体结构全部填为实体，得到拓扑优化有限元模型，如图二所示，共生成39941个节点，35339个六面实体单元。。其中粉色区域为设计区域，蓝色区域为非设计区域。
3拓扑优化
3.1拓扑优化问题描述
目标函数：油缸支座强度最大，同时考虑多个载荷工况的共同作用，拓扑优化的目标定为油缸支座结构综合应变能达到最小。
设计变量：拓扑优化计算时，以设计区域内每个单元的密度为设计变量。
约束条件：为了到达减轻重量的目的，优化设计中以限制保留结构体积百分比的上限为约束条件。
3.2拓扑优化计算结果
油缸支座拓扑优化后单元密度云图，如图三两图所示。图中经过多次迭代后，得到了标值表示优化后单元密度值，密度值越大的单元越重要，是设计中需要保留的单元，相的区域是需要保留的区域，密度值较小的区域则是优化后可以去除的区域，由拓扑优化结果可以得出材料的大概分布方案。
3.3三维模型建立
按照拓扑优化结果做出相应的三维图形，同时结合铸造和焊接工艺进行三维模型局部调整。为了增加焊缝长度，同时把支座左右连接成为一个零件，故在支座的前后底部分别拉出两条筋，详细见图四。
4拓扑优化模型与原始方案模型强度、刚度和质量分析对比
对油缸支座原始模型与优化后模型进行同工况静力学分析对比，以了解优化后模型的刚度与强度情况。
4.1强度分析对比
①门架前倾工况
由三种工况静力学分析结果来看，优化后模型相对原始模型应力云图分布更加合理，前两个工况下最大应力明显改善。
4.2优化前后刚度与重量分析对比
限于篇幅，刚度对比不另切图，只做图表对比，具体数值见下表一。改前方案与改后方案刚度对比
 从分析结果看，改进模型应力与变形相对原始模型都有一定的改善，造型也有一定的提高，同时重量减重4.95%。
5 结论
本文在确定了油缸支座基本工作过程和安装方式的情况下，运用OptiStruct优化技术对其进行了多工况拓扑优化设计。结果表明优化后的支座比原始支座刚度强度都好的情况下，减小了支架重量，节约了生产成本。
6参考文献
[1] 桂良进,周长路,范子杰.某型载货车车架结构轻量化设计[J],汽车工程,2003(4):403-406
[2] 于开平,周传月,谭惠丰,等. HyperMesh从入门到精通[M ].北京:科学出版社, 2005
[3] 舒歌群,基于HyperWorks的柴油机油底壳有限元建模和结构优化[J].小型内燃机与摩托车，2008(2)：25-27.
[5] 刘惟信,机械最优化设计[M ]. 北京:清华大学出版社,1994.(end)
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(10/20/2013) |
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