重型支援桥吊机上摆臂优化设计

表 2 优化前后结果对照
最大静位移 /mm
优化前 27. 21
优化后 变化量 /%
27. 33
0. 44
荷载作用点位移 /mm - 25. 238 - 25. 206
最大应力 /M P a
725. 0
728. 1
0. 13 0. 43
由图 3可以看出, 在结构上, 面板、腹板、肋板及加强板 均有减重空间, 为达到减轻结 构自重, 增 加材料利 用率, 分 别对面板、腹板、肋 板、端 部加 强 板、面 板加 强 板 进行 ∀ 打 孔 #设计 (见图 4), 根据上 摆臂密 封条件 的要求, 对于 挖空 部分均以 1 mm 厚钢板进行铆固封盖。
法主要有均匀 化方 法、变密 度方 法和 渐进 结构 优化 法 [ 7] 。 均匀化方法的基 本思 想是 在组 成结 构的 材料 中引 入微 结 构单胞, 材料的弹性性质和密 度等宏观 特性都 由微结 构单 胞的形式和尺 寸参 数来 决定 [ 8] 。变 密度 法主 要采 用简 单 的能量原理, 并在公式中假设 杨氏模量 为变量 进而获 得最 佳材料分布, 其数值的不稳定 性和计算 的复杂 性是该 方法 在结构优化应 用 中的 主要 困难。均 匀化 方法 和变 密度 方 法等的主要特点 是将 拓扑 变量 取为 单元 几何 尺寸 或材 料 物理参数等连续变量, 并通过 单元几何 尺寸或 材料物 理参 数等取下限值, 实现结构拓 扑变更。渐 进结构 优化法 通过 将无效的或低 效的 材料 一步 步去 掉, 获得 优化 拓扑, 方 法 通用性好。
卞士川, 等: 重型支援桥吊机上摆臂优化设计
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4 上摆臂振动模态分析
图 4 设 计优化图
由表 3可 知, 优化 后的 总质 量减 轻了 17. 393 kg, 占原 设计总质量的 7. 89% 。
对更改设 计后 的模 型进 行应 力应 变计 算。与 更 改前 计算结果比较见表 4。
显然, 对上摆臂 进行 优化 后, 其最 不利 荷 载位 置 时的 最大静位移和最大应力均 有不同 程度的 减小, 最大应 力位 置也由原来的焊缝处 转移到了面板边缘处。
表 3 上摆臂结构 优化前后质量对比
kg
左腹板 右腹板 腹板加强板 腹板加强板 吊轴筒 吊轴 吊轴 加强肋板 前端加强板 前端加强板 面板 面板加强板 优化部分合 计 总质量 密封钢板质 量 实际减重
优化前 26. 316 26. 316 3. 532 3. 532 38. 977 11. 195 11. 195 16. 065 2. 064 2. 064 75. 549 3. 513 99. 255
模态是机械结构的固 有振动 特性, 每一个 模态具 有特 定的固有频率、阻尼比和模 态振型。模 态分析 是结构 动态 设计及设备故障诊断的重 要方法, 最终 目标在 是识别 出系 统的模态参数, 为 结构 系统 的振 动特 性分 析、振动 故障 诊 断和预报以及结构动力特性的优 化设计提供依据。
上摆臂作为吊机的 一个组 成部分, 其模 态不仅与 自身 的结构形式、材料及空间姿态有关, 还跟与其相连的下摆臂、 连杆组、油缸等的 特性以 及约束 形式有 关。吊 机在某 一平 衡位置时, 在下摆臂、连杆组及油缸的共同作用下, 上下摆臂 连接孔及上摆 臂与连杆 轴连接 孔的线 位移均 被固定, 约束 形式简化为在连杆轴孔 处的 2个转 动铰。利用 H yperw orks 软件提供的结构模态分析 模块分别对优化前 后的上摆臂进 行模态对比分析 (振型见图 5~ 7, 频率见表 5)。
根据有 限元分析的 结果可知, 上摆 臂的面板、腹板、肋 板及加强板均有较大面积 的小应 力区域, 从受 力情况 方面 分析有较大的减重空间。 为了减 轻上摆 臂自重, 使结 构形 式更趋合理, 利用 H yperw orks软件提供 了结构 拓扑优 化功 能对上摆 臂 进 行结 构 优化 设 计。优 化 的对 象 为 面 板、腹 板、肋板及加强 板, 不对 吊轴 筒进 行优 化。优 化目 标为 体 积最小, 约束条件为最大静位 移不大于 优化前 的最大 静位 移。优化后的应力 和单元 密度 云图见 图 3, 优化 前后 最大 静位移与最大应力结果对比见表 2。
图 7 最不利荷载位置时 3阶模态对比
目前, 有限元分析软件大多已经实现了与 CAD 软件的 无缝集成, 具有了 更为 强大 的网 格处 理能 力, 由 单一 的求 解线性问题发展到求解非 线性问 题, 由单一 的结构场 求解 发展到耦合场问题的求解, 具 有更为 直观的 可视化前 处理 和后处理功能, 更为人性化。
拓扑优化 通 俗一 点 解释 就 是通 过 在 产品 结 构上 ∀ 打 孔 #来实现给定 的优化 目标 [ 6] 。目 前, 拓扑 优化 分析 所支 持的目标函数 主要包 括结 构强度 最大、结 构变 形最 小 (通 常用应变能表示 )、结构中某一 关键部位 的应力 集中最 小、 结构频率响 应最 高等。连 续 体结 构拓 扑优 化较 成熟 的方
2 上摆臂有限元分析
在 Inven to r中建立其实 体模 型, 通过 标准 交换 文件 导 入 H yperwo rks的 H yperm esh中, 根据 上摆 臂的结 构及 受力 特点, 对模型进行合理的简 化。吊机上 摆臂的 零件主 要为 钢板焊接件, 按薄壳 焊接 箱体 进行分 析。在 H yperm esh中 对抽取的零件中面分别以 混合模 式进行 网格划分 , 单 元格 尺寸为 10, 总计划分网格 54 606个, 其中四 边形网格 53 784 个, 三角形网格 822 个 (见 图 1)。定 义材 料属性 为高 强度
图 2 最不利荷载位置的静位移及应力云图
由表 1可知, 3 种情 况下 所产生 的最 大静位 移与 最大 应力均 相 差 不 大, 两 者 最 大 值 与 最 小 值 之 间 分 别 相 差 5. 88% 和 7. 40% , 表明吊机运行过程中上摆臂受 力均匀。
图 3 优化后的应力云图和单元 密度云图
本文中利用 Inventor建 立了 吊机 上摆 臂 实体 模型, 通 过 标准交 换文 件导入 Hyperw orks软 件进 行了有 限元 分析 及拓扑优化设 计, 并与 试验 结果 进行 了对 比 分析, 提 出较 为合理优化结果 [ 2]。
1 有限元分析及拓扑优化
有限元方法作为一种 非常有 效的数 值方法, 已为 工程 界所普遍接受和广泛使用 [ 3], 在机 械制造、材料 加工、航空 航天、汽车、土木建筑、电子电 器、国 防军工、船舶、铁道、石 化、能源、科学研 究等 各个 领 域为 解决 复杂 的工 程分 析计 算问题提供了有 效途径 [ 4- 5] 。在工 程实践 中, 有 限元 分析 软件与 CAD 系统的集成应用使研究、设计水平发生了质的 飞跃。
图 5 最不利荷载位置时 1阶模态对比
表 4 结构优化前后对照
最大静位移 /mm 最大应力 /ຫໍສະໝຸດ Baidu P a
质量 /kg
优化前
27. 21 725. 00 220. 32
优化后 变 化量 /%
24. 06 717. 10 202. 93
11. 58 1. 09 7. 89
最大应力 减小的 原因 是 上摆 臂总 质量 的减 小导 致自 身重力的减小, 即总的外荷 载减小 了。最大 应力点由 焊缝 转移到面板显然对结构的 受力更 加有利, 因 为焊缝的 质量 由于多种因素的影响 有时可能得不到可靠的保证。
上摆臂的外荷载 即一个 桥跨重 量, 方 向竖直 向下。计 算 时将 外 荷载 简化 相 等大 小的 集 中力, 作 用 于吊 筒 的中 心处。
分别对上摆 臂最 不利 荷载 位置 及起 始位 置和 结 束位 置进行仿真计 算, 得到相 应的 位移云 图和 应力 云图 ( 见图 2)。 3种工 况 下 上 摆 臂 最 大 静 位 移 与 最 大 应 力 比 较 见 表 1。
收稿日期: 2010- 03- 02 作者简介: 卞士川 ( 1970 ), 男, 硕士, 工程师, 主要从事装备论证研究。
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四川兵工学报
钢, 弹性模量为 2. 0E5, 泊松比取为 0. 3, 密度为 7. 85E- 9。
表 1 各种工况下位移、应力对照
工况
最不利荷 载位置
起始 位置
结束 位置
试 验值 /M P a
计算值 /M Pa
误差 /%
343. 17
330. 33
3. 74
计算值与实测值不同 主要原因是桥节的 计算重量与实 际重量不一致引起的, 这是由 于钢板厚度存在公 差, 同时焊 缝、油漆的重量也 难以精确 计算, 而计算 重量是 一个常 值。 另外, 由于吊机起始位置与试 验时的最远位置略 有不同, 这 也是导致有限元计算值与试验值不同的原因之一。
关键词: 重型支援桥; 吊机 ; 上摆臂; 拓扑优化; Inventor; H yperworks
中图分类号: T J812
文献标识码: A
文章编号: 1006- 0707( 2010) 05- 0065- 04
装备总质量控制是装备设计 的重要环节。一般的机械 和结构零件在 完成初 步设计 后虽然 能够满足 功能需 要, 但 是其尺寸、形状、质量等往往还没有做到最合理, 需要进行进 一步的优化设计 [1] 。装备总质量的控制最 终分解到单个零 部件的质量控制。借助于计算机软件对零 部件进行有限元 分析及拓扑优化设计是快速有效的优化设计手段。
最大静位移 /mm
27. 21
27. 05
25. 61
最大应力 /M Pa
725. 0
719. 2
671. 4
3 上摆臂结构优化分析
图 1 网格划 分及零件焊接
上摆臂处 于某 一平 衡位 置时, 在 上摆 臂 油缸、连 杆组 及下摆臂的共 同作 用下, 其 线位 移均 被固 定, 在 不考 虑荷 载偏心及横向外荷 载如风 力等的 影响 下, 绕 x 和 z轴 的转 动角位移也被固定, 此时只有一个绕 y轴的 转动角位移, 上 摆臂与连杆组、上摆臂与下摆 臂的连 接简化 为绕相应 轴转 动的约束。
第 31卷 第 5期 制造技术 !
四川兵工学报
2010年 5月
重型支援桥吊机上摆臂优化设计
卞士川1, 张银龙1, 梁 川 2
( 1. 总装工程兵 科研二所, 北京 100036; 2. 总装工程兵科研一所, 江苏 无锡 214035)
摘要: 应用 Inventor建立吊机的虚拟样机模型, 利用 H yperw orks对吊机上摆臂进行拓扑优化设计, 在保证功能性、 安全性的基础上 使上摆臂明显减重。与试验结果的对比分析表明, 优化结果可 为吊机的整体优化提供参考。
H yperw orks是美国 A lta ir公 司推出的 通用有限元 分析 与优化软件, 它构 建于 设计 优化、性 能数 据管 理和 流程 自 动化的基础理 念之 上, 集成 了设 计与 分析 所需 的工 具, 包 括建模、分析、可 视 化 和数 据 管理 解 决 方案, 能 够用 于 线 性、非线性、结构优化、流固耦 合和多刚 体动力 学等多 个方 面, 具有良好的开放性、灵活性和友 好的用户界 面。 O ptiSt ruct是其中的一个模块, 除了能够完成结构优 化分析之 外, 也能胜任诸如静态、动态、热学等一般性分 析任务。
220. 320
优化后 26. 316 26. 316 3. 532 3. 532 38. 977 11. 195 11. 195 11. 592 1. 612 1. 612 59. 176 2. 432 76. 424 197. 490
减轻质量 0 0 0 0 0 0 0
4. 473 0. 452 0. 452 16. 370 1. 081 22. 830 22. 830 5. 437 17. 393
图 6 最不利荷载位置时 2阶模态对比
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四川兵工学报
其 M ises应力 值为 330. 33 M P a, 小于实测平均值 3. 74% (见 表 6), 在允许的误 差 5% 之 内, 表明 计算 方法 的正 确性 和 可靠性。
表 6 吊机上摆臂测点应力值与 计算应力 比较 ( 初始位置 )