基于拓?fù)鋬?yōu)化的適配器支撐架輕量化設(shè)計(jì)

馮鵬升，楊愛萍，王麗鵬，邱紅亮，牛玉彬，趙 飛

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046000）

0 引言

在大型裝備生產(chǎn)、制造企業(yè)中，各類支撐架在筒段類產(chǎn)品的裝配及附屬零部件的更換過程中起著至關(guān)重要的作用。目前，公司內(nèi)部的設(shè)計(jì)還停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，這不僅浪費(fèi)了大量的原材料，而且做出來的工藝裝備顯得尤為笨重。而拓?fù)鋬?yōu)化能為工藝裝備尋找出最佳的受力路徑，比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)節(jié)約了材料，減輕了質(zhì)量。

范文杰[1]等采用基于有限元理論的拓?fù)浞椒▽ζ囓嚰軐?shí)施了輕量化設(shè)計(jì)；N.P.Garcia-lopez 和M.Sanchez-Silva[2]對航空中的某機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)布局，也是利用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行研究，但應(yīng)用于車間的支撐架的研究少之又少。因此采用拓?fù)鋬?yōu)化的理論方法實(shí)現(xiàn)支撐架的輕量化設(shè)計(jì)，具有省料、輕便等現(xiàn)實(shí)意義[3]。

以筒段用適配器支撐架為研究對象，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，本文借助UG 軟件建立支撐架的三維實(shí)體模型；通過UG 和Workbench 軟件的對接，將實(shí)體模型導(dǎo)入Workbench 中，對支撐架模型進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分無誤后進(jìn)行有限元分析，根據(jù)輸入要求計(jì)算外載荷施加大小與方向，確定約束條件，然后實(shí)施拓?fù)鋬?yōu)化，最終根據(jù)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對支撐架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到了支撐架的輕量化要求。

1 建立實(shí)體模型及優(yōu)化分析

1.1 有限元模型的建立

在UG 軟件中建立支撐架三維模型。首先簡化模型，因?yàn)槟Ｐ秃喕粫绊懼渭艿氖芰Ψ治?，對其整體計(jì)算影響不大；其次對劃分網(wǎng)格和計(jì)算效率均有所提高。支撐架簡化模型如圖1 所示。

圖1 支撐架三維模型

1.2 材料屬性及劃分網(wǎng)格

由于適配器重量僅為200 kg，故支撐架的材料采用Q235 即可，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[4]得：其彈性模量Ex= 2 × 105MPa，泊松比μ = 0.25，密度為7.8 × 10-6kg/mm3，屈服強(qiáng)度235 MPa。該支撐架主要由鋼板組成，采用中等精度的自由劃分網(wǎng)格法進(jìn)行劃分[5]，施加外部載荷、限位約束，然后計(jì)算分析。把支撐架模型導(dǎo)入Workbench 中，先對模型缺陷進(jìn)行修復(fù)；然后采用中等精度劃分網(wǎng)格，得到36 917 個(gè)節(jié)點(diǎn)和18 189 個(gè)單元，如圖2所示。

圖2 支撐架網(wǎng)格劃分

1.3 定義約束、載荷，優(yōu)化分析

支撐架通過底座直接支撐在地面上，垂直方向上不允許有位移量，因此垂直方向上自由度為0；上弧面承載半個(gè)適配器的重量，因此，弧面承載的軸承力為100 kg。通過上述加載、約束，在Workbench 軟件中對其進(jìn)行靜力學(xué)分析。經(jīng)分析計(jì)算求得支撐架變形情況和等效應(yīng)力分布情況分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 支撐架變形云圖

圖4 支撐架等效應(yīng)力云圖

從圖3 可知，支撐架的兩處起吊孔處為變形最大處，最大變形量為0.007 mm；從圖4 可知，等效應(yīng)力最大處出現(xiàn)在弧面的底部兩側(cè)，最大應(yīng)力為0.49 MPa。Q235 板材的板厚小于16 mm 時(shí)，其屈服強(qiáng)度為235 MPa。因此，憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的支撐架強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求，不僅造成了原材料的極大浪費(fèi)，并且笨重的支撐架使其在加工、制造及轉(zhuǎn)運(yùn)過程中也非常的不方便。

2 支撐架拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化三維模型

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想是對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)的材料分布。對支撐架有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，支撐架的優(yōu)化目標(biāo)是在滿足產(chǎn)品安全、可靠支撐的前提下達(dá)到減重的效果，在設(shè)置求解項(xiàng)中將Target Reduction 中優(yōu)化減重目標(biāo)設(shè)置為50%，支撐架優(yōu)化結(jié)果如圖5 所示。

圖5 支撐架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

從圖5 可知，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)注，其中圖中指示區(qū)域代表需要移除的材料，其余則代表需要保留的材料。

2.2 模型重構(gòu)

參考圖5 的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，根據(jù)三維設(shè)計(jì)準(zhǔn)則結(jié)合生產(chǎn)制造的工藝性進(jìn)行模型重構(gòu)，重構(gòu)后的模型如圖6 所示。

圖6 支撐架重構(gòu)后模型

優(yōu)化后的支撐架模型與原始的支撐架相比，其結(jié)構(gòu)有如下不同：

（1）支撐架的立板由兩側(cè)支撐變成中間一塊立板支撐，簡化了支撐結(jié)構(gòu)；

（2）立板兩側(cè)及中間底部結(jié)構(gòu)由于不受力，均進(jìn)行了材料優(yōu)化；

（3）支撐架底板由一整塊大鋼板形式轉(zhuǎn)換成兩小塊，節(jié)約了材料和空間；

（4）Q235 的板材由5 mm 厚的鋼板換成3 mm厚的鋼板。

3 改進(jìn)后支撐架性能試驗(yàn)

改進(jìn)后支撐架的質(zhì)量僅僅只有55 kg，將支撐架模型再次按照前文的步驟重新導(dǎo)入Workbench 軟件中進(jìn)行分析，對其重新施加相同大小的外載荷、限位約束條件，隨后計(jì)算求解。優(yōu)化后支撐架的變形如圖7 所示，應(yīng)力云分布如圖8 所示。

圖7 優(yōu)化后支撐架變形圖

圖8 優(yōu)化后支撐架應(yīng)力圖

從圖7、圖8 可以清晰地看出，優(yōu)化后支撐架的整體最大變形量為0.19 mm，最大應(yīng)力為16 MPa，Q235 的鋼板原材料，安全系數(shù)為14，完全符合使用要求。由于受到輸入條件支撐寬度和包角等的限制，使得該工藝裝備的安全系數(shù)依然比較大，如做下一步的輕量化設(shè)計(jì)，可從材料替換等角度進(jìn)行優(yōu)化。

對支撐架改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行有限元分析，分別從最大變形、質(zhì)量和最大應(yīng)力3 個(gè)方面和之前進(jìn)行對比，結(jié)果如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后支撐架各項(xiàng)性能指標(biāo)

從表1 中可以看出，與優(yōu)化前支撐架相比，優(yōu)化后的支撐架最大變形量增加了171.4%，最大應(yīng)力增加了31.65 倍，支撐架質(zhì)量減少了82.37%。綜上所述，在剛度和強(qiáng)度滿足要求的前提下，完成了支撐架的輕量化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

通過對支撐架進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，得出原支撐架材料布局不合理、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在浪費(fèi)材料等缺點(diǎn)?；谕?fù)鋬?yōu)化計(jì)算結(jié)果，在保證產(chǎn)品安全可靠支撐的前提下，對支撐架進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減重的目的。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對支撐架結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，通過測量可知，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了82.37%，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋬?yōu)化后材料的合理去除和支撐架輕量化的目標(biāo)。