快鍛壓機上橫梁拓撲優(yōu)化設(shè)計

王 暾，李 晶，曹建鋒，贠麗晨，方 婧

（蘭州蘭石集團有限公司能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730000）

現(xiàn)代機械產(chǎn)品正在向綠色化、輕量化、智能化方向發(fā)展，因此近年來輕量化、綠色化設(shè)計得到了廣泛關(guān)注，逐漸成為一個熱門課題。

大型快鍛壓機是汽車、航天、能源裝備等行業(yè)中常用的鍛壓設(shè)備，上橫梁作為快鍛壓機的關(guān)鍵部件，在拉、壓復(fù)合作用下發(fā)生失效的概率較大，因此上橫梁的設(shè)計成為研發(fā)人員關(guān)注的問題之一。傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計是應(yīng)用有限元分析技術(shù)得到關(guān)鍵零部件的薄弱環(huán)節(jié)，在保證壓機使用性能及技術(shù)要求的前提下，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，這種方法周期較長，常常會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體強度分布不均，總體質(zhì)量較大的問題。而利用拓撲優(yōu)化技術(shù)可對結(jié)構(gòu)進行布局優(yōu)化，能夠獲得較合理的初始結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計滿足其強度和剛度要求的結(jié)構(gòu)尺寸及形狀[1-3]。并且拓撲優(yōu)化技術(shù)方法不僅能加快產(chǎn)品設(shè)計周期，還可以節(jié)省材料達到輕量化的目的，進而減少開發(fā)費用和制造成本，對于改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有很大的現(xiàn)實意義[4-6]。

1 上橫梁結(jié)構(gòu)分析

大型鍛造液壓機上橫梁作為快鍛壓機中重量較大的零部件，其剛度和強度要求較高，其結(jié)構(gòu)的合理性對快鍛壓機的制造和使用至關(guān)重要。快鍛壓機運行中，上橫梁與主缸相連來傳遞作用力，上端面通過超級螺母與拉桿連接，下端面與立柱相連，因此上橫梁應(yīng)有一定的承壓能力，同時還應(yīng)具有一定的抗彎能力，上橫梁結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 上橫梁結(jié)構(gòu)

2 上橫梁靜力學分析

上橫梁為鑄造件，運行中載荷主要受油缸壓力及拉桿的預(yù)緊力作用。利用有限元分析軟件對其進行靜力學仿真計算，來校核上橫梁的結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計要求。如圖2 所示為上橫梁有限元分析模型，表1 為有限元模型參數(shù)。

表1 有限元模型參數(shù)

圖2 上橫梁有限元分析模型

上橫梁材料為ZG25Mn，其屬性如表2 所示。

表2 ZG25Mn 材料屬性

對上橫梁模型進行有限元分析，可以得到其應(yīng)力和變形結(jié)果，如圖3、圖4 所示。

圖3 上橫梁等效應(yīng)力云圖

圖4 上橫梁位移云圖

根據(jù)圖3 上橫梁等效應(yīng)力云圖可知，上橫梁的最大等效應(yīng)力為99MPa，出現(xiàn)在上橫梁與油缸接觸位置，在上橫梁設(shè)計關(guān)注區(qū)域整體應(yīng)力較小。根據(jù)圖4 上橫梁位移云圖可得知，上橫梁最大位移為0.81mm，在安全設(shè)計范圍之內(nèi)。由此可知上橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，在強度、剛度上有冗余，可對其進行優(yōu)化設(shè)計。

3 上橫梁拓撲優(yōu)化的有限元模型

拓撲優(yōu)化技術(shù)就是在給定的空間里尋找最佳的材料分布，使得零部件結(jié)構(gòu)趨向最優(yōu)化，在保證性能要求的前提下，降低質(zhì)量，節(jié)約成本[7-8]。

綜合考慮上橫梁的裝配、制造約束以及載荷承受能力，確定結(jié)構(gòu)中的非設(shè)計區(qū)和設(shè)計區(qū)，缸體安裝區(qū)域為非設(shè)計區(qū)，其余部分為設(shè)計區(qū)。在上橫梁拉桿預(yù)緊螺母處施加預(yù)緊力，在與主缸及側(cè)缸連接的法蘭面上施加壓力,如圖5 為上橫梁邊界條件及載荷加載情況。優(yōu)化設(shè)置中，以最小柔度為優(yōu)化目標，以應(yīng)力、位移以及體積比為約束，初始設(shè)計空間的30%為極限值，建立模型。

圖5 上橫梁邊界條件及載荷加載

3.1 優(yōu)化結(jié)果與分析

經(jīng)迭代計算可得如圖6 所示結(jié)果，由圖可知：

（1）上橫梁中間位置和兩側(cè)下部位置材料首先被優(yōu)化掉,在優(yōu)化迭代終止后，上橫梁的體積變?yōu)樵瓉眢w積的29.7%；

（2）上橫梁傳力路徑如圖6d 所示；

圖6 上橫梁拓撲優(yōu)化過程

（3）設(shè)計空間的材料大幅減少，所保留的材料即可滿足上橫梁的剛度要求；

（4）拓撲優(yōu)化結(jié)果為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，還需根據(jù)裝配和制造工藝進行重新設(shè)計。

4 改進機構(gòu)設(shè)計

4.1 方案設(shè)計

根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，綜合考慮上橫梁的外觀以及鑄造工藝，應(yīng)用Solidworks 進行模型再造。將上橫梁上下面板的厚度設(shè)計為平滑過渡結(jié)構(gòu)，如圖7a 所示，將兩側(cè)位置設(shè)計為“鼓形”如圖7b 所示，并將中間豎筋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

圖7 優(yōu)化后上橫梁模型

再造模型的質(zhì)量105000kg,相比較于原始模型質(zhì)量減少7000kg，減重達到6.3%。

4.2 優(yōu)化后上橫梁有限元分析

通過有限元分析方法對優(yōu)化后的上橫梁模型進行檢驗，計算結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 等效應(yīng)力云圖

圖9 位移云圖

由上圖可知，優(yōu)化后上橫梁最大等效應(yīng)力為112MPa，其值小于許用應(yīng)力，上橫梁最大位移為1.0mm，在標準設(shè)計范圍之內(nèi)，說明拓撲優(yōu)化設(shè)計方案良好。

5 總結(jié)與結(jié)論

依據(jù)上橫梁特點，利用有限元軟件進行優(yōu)化設(shè)計，以最小柔度為優(yōu)化目標，對上橫梁進行拓撲優(yōu)化分析，最終得到上橫梁的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，通過有限元分析技術(shù)對優(yōu)化模型進行靜力學仿真驗證，在滿足設(shè)計要求的前提下，優(yōu)化后的上橫梁模型較原模型質(zhì)量降低6.3%，結(jié)構(gòu)受力特性良好，強度和剛度滿足設(shè)計要求，達到預(yù)期輕量化設(shè)計，為整機結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計改進提供了可靠的理論依據(jù)，可以推廣應(yīng)用于其他零部件的優(yōu)化設(shè)計。