219334121_基于Ansys_的移动伸缩堆料机臂架结构拓扑优化设计

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基于Ansys 的移动伸缩堆料机臂架结构拓扑优化设计
何 波1 魏鹏瞩1 孙小庆1 郭超杰2 忽 伟3
1东华大学机械工程学院 上海 201620 2上海山信机械有限公司 上海 201315
3上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室 上海 200240
摘 要：当前移动伸缩堆料机一、二级伸缩桁架整体存在结构庞大、复杂且笨重的问题。

为提高作业效率、降低企业制造成本，需对堆料机桁架结构进行优化设计。

文中以体积变量为基础进行桁架结构的拓扑优化，在优化域内建立了优化设计模型，应用Ansys Workbench 进行求解，利用拓扑优化以体积为关键参数进行桁架再设计。

综合考虑工程实际、装配等因素设计了优化后的三维模型。

最后对比优化前后仿真结论，在不降低桁架整体强度、刚度的基础上，优化后方案有效降低了整体质量，为新型桁架方案设计提供了参考。

关键词：移动伸缩堆料机；伸缩臂桁架结构；Ansys 有限元分析；拓扑优化
中图分类号：TH246 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2023）10-0030-07
Abstract: The first and second telescopic trusses of mobile telescopic stacker have some problems, such as huge structure, complexity and bulkiness. In order to improve working efficiency and reduce manufacturing cost, it is very important to optimize the truss structure of stacker. Topology optimization of truss structure is carried out based on volume variables, and an optimization design model was established in the optimization domain, which was solved by Ansys Workbench. Topology optimization was used to redesign truss with volume as the key parameter. After considering the engineering practice, assembly and other factors, the optimized three-dimensional model was designed. Finally, comparing the simulation results before and after optimization, it was found that the optimized scheme effectively reduces the overall quality without reducing the overall strength and stiffness of the truss, which provides a reference for the design of new truss.
Keywords: mobile telescopic stacker; telescopic boom truss structure; Ansys finite element analysis; topological optimization
0 引言
移动伸缩堆料机是一种可移动、灵活度高、大型、高自动化的堆料设备，在国内外港口、粮食存储基地、煤炭矿场等场所有着广泛的应用[1]。

伸缩桁架作为堆料机的关键结构，承载了托辊组、带式输送机系统以及物料运载时的质量，故对其进行轻量化设计对于提高整机的强度和稳定性具有重要意义[2]。

国内在大型堆料机械的研发上发展较为缓慢，与国外相比存在较大差距。

堆料机等大型港口机械设备通常基于经验设计制造，普遍存在用钢量过大，体积尺寸较为笨重等问题[3]。

近年来，随着有限元模拟仿真技术及计算机数值分析方法的发展，大型机械设备的设计研发已经转型成使用计算机建立三维模型与仿真分析相结合
的设计手段[4]。

寇保福等[5]通过有限元分析软件对排岩机受料臂架进行了仿真分析，对配重臂架进行了参数优化设计；刘伟江[6]以螺旋堆取料机的取料装置作为研究对象，对取料臂架在常用取料工况下进行有限元分析并对螺旋取料机构螺旋体进行优化设计；姚钦建[7]以提升伸缩式环形堆料机使用性能及避免共振等方面为目标要求，给出了堆料机臂架结构中的主要钢结构的堆料机主要部件结构优化的措施和改进方案，有效地对环形堆料机的缺陷进行优化；涂星等[8]应用APDL 语言建立了堆料机臂架的参数化模型，有效展示了斗轮堆取料机的结构特性，为斗轮堆取料机的结构设计和动力学分析提供了参考；李佐斌[9]以应力为基础，使用仿真拓扑对桥式起重机原机型主梁进行优化处理，新型主梁在满足强
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度、刚度、稳定性的要求下，相对原机型主梁减重效果显著。

相对而言，利用拓扑优化方法进行堆料机桁架设计的研究较少，通过算法运行计算，拓扑优化技术可以在给定的设计区域内对材料空间进行优化分布，可以充分提高材料的利用率，一般会形成不规则的异形结构，对于解决桁架结构用钢富余量大以及节点设计不合理等问题有很大的帮助。

本文使用Ansys Workbench 有限元分析软件中的拓扑优化模块，对堆料机桁架结构进行拓扑优化，对拓扑结果进行研究分析，得到最优桁架结构分布，再综合考虑工况装配要求、工艺制造、用材费用等方面重新设计了一级臂、二级臂桁架结构。

最后对优化后结果进行三维建模和静力学仿真分析，对比优化前后桁架结构总变形位移云图和等效应力云图，证明了拓扑优化在堆料机桁架结构优化中的可行性，为堆料机新机型桁架结构设计提供参考。

1 移动伸缩堆料机臂架结构有限元仿真分析
1.1 仿真模型建立
在对桁架进行结构优化前先进行有限元静力学分析，得到堆料机臂架结构的变形位移云图和等效应变云图，以此作为机架受载分析和进行优化设计的基础。

如图1所示，臂架桁架结构是移动伸缩堆料机的重要组成部分，一级臂为桁架的主要支撑部分，二级臂装配在一级臂中，与一级臂共同构成桁架主体，并实现伸缩堆料功能。

图1 移动伸缩堆料机桁架结构图
一级臂、二级臂桁架结构由钢件焊接而成，因焊缝的强度和刚度比钢材高，所以在进行三维建模时可以忽略焊缝对仿真结果的影响。

实验数据表明，堆料机在仰
角18°时数据更有代表性，故选取臂架最大仰角18°时以及二级臂伸出最长时作为极端工况进行静力学有限元仿真分析。

1.2 静力学仿真结果及分析
进行臂架仰角最大18°及二级臂伸出最大长度工况下有限元静力学仿真，得到桁架结构在最大工况时的变形云图和等效应力云图，见图2。

（a）变形位移云图
（b）等效应力云图图2 移动伸缩堆料机仿真结果
由图2可知，在最大工况下，二级臂末段及一级臂、
二级臂结合处的应力较大。

二级臂臂架末端刚度较小，且处于桁架结构末段，使得该处水平位移最大。

在最大工况下，最大应力出现在一级臂、二级臂连接处，应力最大值为19.669 MPa 。

分析图2可知，应力分布总体上是均匀的，且最大应力值远小于材料的屈服极限。

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2 移动伸缩堆料机臂架结构拓扑优化
2.1 拓扑优化理论
连续体拓扑优化的一般解决办法为变密度法，即假定选用材料的力学性能和密度存在一定的关系，而密度是一种离散变量。

变密度法首先进行网格划分，继而通过结构离散化得到连续体，然后持续进行优化迭代计算，其中离散单元密度的数值能够影响其弹性模量，通过控制密度数值达到改变其弹性模量的目的，密度迭代至0则删除单元，直至迭代计算的精度符合预定的数值[10]。

假定已知约束g j ，用于求解最小或最大目标函数f ，可得拓扑优化数学模型为
Min
()Max s.t.0 1 1,2,3, 1,2,3,i i j j j f i N g g g j M ηη
=
=
＜≤…,≤≤…, 式中：ηi 为每个有限元单元的伪密度，0≤ηi ≤1，ηi 接近1表示该单元材料需要保留；M 为约束数目；N 为单元数；g j 为第j 个约束的下限值，g j ——
为第j 个约束的上限值；g j 为第j 个约束。

为了求解最小体积，在给定载荷和最小柔度情况下，对钢桁架进行拓扑优化设计，数学模型为
0Min ()
s.t.0 1 1,2,3, 01i i f i N V V ηηαα
= ＜≤…,≤
＜≤
式中：f (ηi )为结构柔度，V 0为优化前体积，α为缩减体积百分比，V 为优化后的体积。

2.2 臂架结构优化模型建立
堆料机桁架结构是衡量移动伸缩堆料机输送能力的一个重要承载指标，在带式输送机运行时，最大满载物料工况下，是否能够保证臂架结构的强度刚度及稳定性尤为重要。

因此在桁架结构拓扑优化过程中，将一、二级臂分开，逐一进行分析。

本文采用极大值方法进行结构优化，即选取一级臂、二级臂在最大仰角18°、物料满载工况下，各自赋予载荷以及在实际
工况下施加支撑。

由于仰角18°、满载物料是堆料机的最大工况，属于实际工作极限工况，在该工况载荷支撑下结果所得的拓扑优化结构，在其他工况下也能满足使用要求。

一级臂、二级臂拓扑优化前期拓扑结构模型如图3所示。

（a）一级臂拓扑优化模型
（b）二级臂拓扑优化模型图3 一级臂、二级臂拓扑优化模型
2.3 移动伸缩堆料机臂架结构拓扑优化结果及分析
进行拓扑优化时，需要合理科学地设置拓扑优化参数，不同的优化参数对应不同的结构。

Ansys Workbench 中钢桁架结构拓扑优化，需要设置参数：默认分析设置参数设置计算精度0.1%，最佳迭代次数500，最小常量化密度0.001，选用Optimality Criteria 为优化求解控制器，其余参数默认；选择一级臂、二级臂的上下横板为保留区域，2个腹板为优化区域；选用体积最优目标为响应约束，所以响应类型为Volume ，保留体积百分比参数设置为10%、20%；默认求解器约束参数，默认由程序控制结构尺寸的最大最小值。

一级臂、二级臂拓扑优化结果如图4、图5所示，优化迭代次数与体积响应收敛关系曲线如图6所示。

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（a）响应体积约束保留10%
（b）响应体积约束保留20%图4 一级臂拓扑优化结果
由图4、图5可知，黑色部分为一级臂、二级臂拟保留结构，得到一级臂、二级臂体积约束分别10%、20%的拓扑异形结构，受承载力小的部分出现明显孔洞和空缺，得到斜杆和薄板支撑的不规则异形结构。

一级臂靠近主支撑部位的保留区域较大，二级臂右边呈现出较为明显的桁架结构，且越往右边桁架结构越少。

需要对异形孔部分与空缺部分边界进行修复处理，修复优化后的模型可应用于实际桁架施工，故对拓扑结果进行优化桁架再设计及优化结果再分析。

为得到满足实际需求的钢桁架结构，利用拓扑结果图进行结构本体设计，并对其进行优化结果分析，以验证其力学性能是否满足要求的过程。

由图6优化迭代次数与体积响应收敛关系曲线可知，迭代的前几步基本确定下需要去除的材料，后面的迭代步是计算对边界材料的取舍，一级臂、二级臂在前4次迭代过程中快速下降，说明求解模型存在较多部分
不起主要承载作用，此后曲线逐渐趋于收敛。

（a）响应体积约束保留10%
（b）响应体积约束保留20%图5 二级臂拓扑优化结果
（a）一级臂响应体积约束保留
10%
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（b）二级臂响应体积约束保留10%
（c）一级臂响应体积约束保留20%
（d）二级臂响应体积约束保留20%图6 优化迭代次数与体积响应收敛关系曲线
3 移动伸缩堆料机臂架结构优化前后对比
3.1 拓扑优化结构再设计
对比体积后，择优选择体积约束保留10%的拓扑结果。

优化再设计过程，需要在Spaceclaim 中导入拓扑结果优化模型，同时转换为实体，并使用Repair 功能修复实体，修复结构不规则边界。

修复后三维模型如图7所示。

（a）一级臂
（b）二级臂
（c）一级臂、二级臂装配体图
7 拓扑优化模型再设计三维图
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静力学分析优化后模型，得到再设计模型的总变形位移和等效应力2个力学性能指标。

表1为图8与原优化模型的对比结果，臂架优化前后x方向节点位移变形量如图9所示。

（a）变形位移云图
（b）等效应力云图
图8 拓扑后再设计桁架结构仿真结果
表1 桁架优化前后结果对比
图9 臂架优化前后位移变形量对比图
从图9中分析可知，优化后再设计的异形臂架上节点位移变形量略微增加，位移变形量总体趋势优化前后一致；x方向整体结构挠度要大于优化前的臂架，
但整体相差不大，
满足工程要求
，不影响结构性能。

由表1可知，对比原桁架与再设计结构，最大等效应力值有所增高，最大应变值略微有所增加，但依旧远远小于材料的屈服极限。

综上所述，本文研究的移动伸缩堆料机臂架桁架结构的拓扑优化设计方法具有科学性和合理性，能够在未来移动伸缩堆料机新机型桁架结构设计中得到参考和合理运用。

4 结论
1）使用Ansys Workbench中拓扑优化模块对移动伸缩堆料机一级臂、二级臂桁架结构进行分析，依据拓扑结果重新设计桁架结构，结合实际工况，确定对仿真结果影响最小区域。

2）重新设计了移动伸缩堆料机臂架结构的拓扑优化模型，大幅缩减桁架的用钢量，对比优化前后模型的等效应力及应变值，优化指标满足桁架实际运行的需求，验证了该方法的合理性和可靠性。

3）针对臂架结构普遍化及用钢量大的问题，本文最终选择体积保留10%的桁架异形结构，该结构满足实际工况，可为堆料机新机型桁架设计提供参考。

参考文献
[1] 孙远韬，骆礼福，吴丹，等.新型移动式堆料机的设计仿 真及应用[J].起重运输机械，2018(2)：93-97.
[2] 张可能，赵玉凤.各种卸料机-堆料机组合方案的比较
[J].世界采矿快报，1989(2)：16-18.
[3] 苏荣华，马壮，靳春华，等.大型自移式破碎站卸料臂结 构仿真与优化[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)， 2017(10)：1 081-1 086.
[4] 范帅帅，周宏伟，安瑛.基于拓扑优化的水平转盘对射机 底座结构设计[J].机械设计，2020(12)：22-27.
[5] 寇保福，霍鹏亮，王志霞，等.基于拓扑优化的排岩机受 料臂架结构轻量化设计[J].机械设计，2022(6)：28-34.
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（下转第63页）
DESIGN CALCULATION
图3 门架总装系统运行主界面
4 结论
本文主要研究了大规模定制下，起重机系列产品的智能化设计方法，开发了面向客户需求的参数定制、配置选型、设计计算、快速出图的智能化设计系统，并以实例进行了验证，该系统可以在定制平台下，可以实现用户的模块化定制、模块化装配驱动、快速生成符合用户需求的门架产品，将知识库集成于产品的模型中，从而减少设计人员的底层建模低效的重复劳动，开发效率大大提高。

参考文献
[1] 李海滨，郑敏，曹进.空调压缩机大规模定制生产智能 制造新模式[J].创新世界周刊，2022(5)：63-72.[2] 白晓波，杨前，赵晓雅，等.面部尺寸分类及其对眼镜 大规模定制设计应用[J]. 机械设计，2022，39(3): 154-160.
[3] 侯亮.机械产品广义模块化设计理论研究及其在液压机
产品中的应用[D].天津，天津大学，2002.
作 者：马士良
电子邮箱：****************
收稿日期：2023-01-05
（上接第35页）
[6] 刘伟江.基于Workbench 的螺旋堆取料机取料装置有限 元分析及优化设计 [D].济南：山东建筑大学，2018.[7] 姚钦建.伸缩式环形堆料机钢结构有限元分析[D].沈阳： 沈阳工业大学，2022.
[8] 涂星.YDG 型堆料机臂架形变分析及拓扑结构优化设计 [D].长沙：中南大学，2011.
[9] 李佐斌.桥式起重机主梁拓扑优化研究[D].大连：大连 理工大学，2016.
[10] 廖巍崴，张振雨，金泉，等.基于Ansys Workbench 的 大跨度悬挑钢桁架的拓扑优化设计[C].第二十二届全国 现代结构工程学术研讨会论文集，2022：218-221.[11] 朱孙科，马大为，何勇，等.基于动力学仿真的舰炮基 座结构拓扑优化设计[J].系统仿真学报，2009 (20)： 6 650-6 652，6 657.
[12] 方高明，李蓓智，杨建国，等.基于Ansys 的薄壁件定 位结构拓扑优化方法[J].机械科学与技术，2011(12)： 2 098-2 101.
[13] 袁海鹏.带式输送机多样化及发展趋势的研究[J].煤矿 机械,2021(11)：45-47.
[14] Wang YF ，Xu X ，Luo Y Z. A unifying framework for form-finding and topology-finding of tensegrity structures [J]. Computers and Structures ，2021,247.
[15] 马魁文，杨好志.悬臂式堆料机臂架的优化设计[J]. 起重运输机械，2007(8)：61-66.
[16] 王野平，邹更新，姜伟民.应用Ansys 平台的胶层拓扑 优化及应力分析[J].机械设计与研究，2009(3)： 110-113.
[17] 李勇，苏恒瑜，马曙.矿用带式输送机传动滚筒静力学 分析及其结构优化研究[J].能源与环保，2021(10)： 294-299.作 者：何 波
电子邮箱：188****************收稿日期：2023-01-10。