基于拓撲優(yōu)化的舉高消防車轉(zhuǎn)臺輕量化設(shè)計

摘要：針對某舉高消防車轉(zhuǎn)臺材料冗余的問題，利用ANSYS中拓撲優(yōu)化模塊對舉高消防車轉(zhuǎn)臺進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證結(jié)構(gòu)剛度、強度、穩(wěn)定性要求的前提下，優(yōu)化后轉(zhuǎn)臺減重26%，為舉高消防車整車提供了設(shè)計余量，同時提升了整車經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：舉高消防車;轉(zhuǎn)臺;拓撲優(yōu)化;有限元

中圖分類號：U469.6+8 收稿日期：2022-08-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.015

1 前言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展、人口的穩(wěn)步增長及城市化的不斷推進，高層建筑越來越多，高空救援裝備的需求也逐漸增多。舉高消防車是高空救援滅火的主要消防裝備之一[1]。

轉(zhuǎn)臺是舉高消防車的承上啟下的承力結(jié)構(gòu)，它的上部承載著伸縮梯架、工作斗、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)等，下部連接著回轉(zhuǎn)支撐、車架，是舉高消防車的主要受力構(gòu)件之一，其強度、剛度及穩(wěn)定性將會直接影響舉高消防車的總體性能[2]。

在某型舉高消防車轉(zhuǎn)臺靜力學分析過程中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺存在材料冗余的問題。利用ANSYS 中的拓撲優(yōu)化模塊對某型舉高消防車轉(zhuǎn)臺進行優(yōu)化分析。在滿足轉(zhuǎn)臺力學性能的前提下，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，在滿足輕量化的同時達到性能與結(jié)構(gòu)的綜合平衡。

2 轉(zhuǎn)臺有限元模型

舉高消防車轉(zhuǎn)臺是焊接裝配體，由于焊縫對整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響較小，只影響局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。因此，在實體建模過程中，忽略焊縫對結(jié)構(gòu)受力的影響，同時在確保關(guān)鍵部位有限元分析精度的前提下盡可能簡化結(jié)構(gòu)的棱角、小凸臺、小凹槽等幾何細節(jié)特征，提高分析速度和分析精度。建立的舉高車轉(zhuǎn)臺幾何模型如圖1所示。

該轉(zhuǎn)臺材料為Q550D（屈服強度550 MPa，安全系數(shù)2.0），彈性模量E=206 GPa，泊松比m=0.3，密度r=7.85×103 kg/m3。采用六面體單元劃分網(wǎng)格，控制單元尺寸為15 mm。細化焊縫、變幅油缸座、主臂變幅鉸點、轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支撐螺栓連接孔附近網(wǎng)格。單元數(shù)400 147，節(jié)點數(shù)1 620 472。控制六面體單元長寬比≤5.0，翹曲度≤18°，偏斜度≤60°，內(nèi)角范圍為40°～135°[3]。所劃分網(wǎng)格如圖2所示。

如圖3所示，載荷D表示主臂鉸點載荷在水平和豎直平面的合力;載荷C表示變幅油缸鉸點載荷在水平和豎直平面的合力[4-5];載荷B表示轉(zhuǎn)臺重力加速度。約束A表示轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支撐連接螺栓之間的位移約束，約束螺栓孔的Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz這6個自由度，其中，Ux、Uy、Uz分別為沿X、Y、Z軸的平動自由度;Rx、Ry、Rz分別為繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動自由度[6]。

在舉高消防車實際工作過程中，轉(zhuǎn)臺存在四種危險工況，如表1所示。

3 舉高消防車轉(zhuǎn)臺優(yōu)化前分析結(jié)果

利用ANSYS靜力學模塊對所建立的某型舉高消防車轉(zhuǎn)臺有限元模型進行靜力分析，得到四種危險工況下的轉(zhuǎn)臺應(yīng)力圖。可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力分布基本一致，故只對工況一的等效應(yīng)力（圖4）和總位移（圖5）結(jié)果進行展示。

由危險工況下舉高消防車轉(zhuǎn)臺靜力學分析可知，轉(zhuǎn)臺的兩側(cè)立板、底板、加強管、折彎板應(yīng)力較低，分布極不均勻，存在材料冗余，因此很有必要對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提升局部材料利用率。

4 舉高消防車轉(zhuǎn)臺拓撲優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進

轉(zhuǎn)臺拓撲優(yōu)化的目標是在滿足結(jié)構(gòu)剛度和強度約束的條件下，使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量達到最小化。

單工況下，拓撲優(yōu)化數(shù)學模型為：

[minC（Xi）=M（Xi） subject toσ（Xi）≤σDx（Xi）≤dxDy（Xi）≤dyDz（Xi）≤dz0≤Xi≤1] （1）

式中，C（Xi）為第i個工況的質(zhì)量目標函數(shù);Xi為第i個工況的歸一化密度向量;s（Xi）為第i個工況的最大等效應(yīng)力值;s為等效應(yīng)力的約束值;Dx（Xi）為第i個工況的X方向最大位移值;Dy（Xi）為第i個工況的Y方向最大位移值;Dz（Xi）為第i個工況的Z方向最大位移值;dx為第i個工況的X方向位移約束值;dy為第i個工況的X方向位移約束值;dz為第i個工況的X方向位移約束值。

多工況的情況下，采用各子工況質(zhì)量的加權(quán)和最小化作為目標函數(shù)，靜態(tài)特征拓撲優(yōu)化數(shù)學模型為：

[minCω（Xi）=i=1NωiM（Xi） subject toσ（X）≤σDx（X）≤dx，i=1，2，…，NDy（X）≤dyDz（X）≤dz0≤Xi≤1] （2）

式中，[Cω（X）]為多工況下的質(zhì)量目標函數(shù);N為工況數(shù);[ωi]為第i個工況的加權(quán)系數(shù)，根據(jù)各子工況的重要程度決定。

在本文的舉高消防車轉(zhuǎn)臺多工況拓撲優(yōu)化中，加權(quán)系數(shù)根據(jù)四種危險工況中受力的危險程度來取值，即工況一的加權(quán)系數(shù)為0.22，工況二的加權(quán)系數(shù)為0.22，工況三的加權(quán)系數(shù)為0.33，工況四的加權(quán)系數(shù)為0.23。

在所建立的轉(zhuǎn)臺有限元模型的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置優(yōu)化區(qū)域與非優(yōu)化區(qū)域來實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。通過靜力學受力分析與轉(zhuǎn)臺本身結(jié)構(gòu)性能可知，轉(zhuǎn)臺兩側(cè)立板、底板、連接兩側(cè)立板的加強筋應(yīng)力較小，設(shè)為優(yōu)化區(qū)域。在ANSYS中其單元類型應(yīng)為Type1，其他區(qū)域設(shè)為非優(yōu)化區(qū)域。

在四種危險工況下進行多工況拓撲優(yōu)化分析，以轉(zhuǎn)臺質(zhì)量最小化為目標，以轉(zhuǎn)臺最大應(yīng)力不超過275 MPa、轉(zhuǎn)臺X向最大位移值不超過3 mm、轉(zhuǎn)臺Y向最大位移值不超過0.5 mm、轉(zhuǎn)臺Z向最大位移值不超過3 mm約束，尋求在給定載荷下轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)質(zhì)量的最小化，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺輕量化。進行拓撲優(yōu)化時，迭代精度為1×10-3，迭代次數(shù)為100，拓撲優(yōu)化方法采用最優(yōu)化準則法。

多工況下進行拓撲優(yōu)化后的轉(zhuǎn)臺歸一化密度隨迭代次數(shù)變化曲線和歸一化密度如圖6～圖9所示。優(yōu)化后的結(jié)果表明，當?shù)螖?shù)大于20次時，轉(zhuǎn)臺歸一化密度趨于收斂，因此對于轉(zhuǎn)臺多工況拓撲優(yōu)化，迭代次數(shù)取20即可。圖中紅色區(qū)域的歸一化密度為介于0～0.4之間，表示材料可移除;淺色區(qū)域的歸一化密度約為介于0.4～0.6之間，表示材料可移除可不移除;灰色區(qū)域的歸一化密度介于0.6～1之間，表示材料需保留。

拓撲優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)無法直接加工制造，因而需要對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)重新設(shè)計。從轉(zhuǎn)臺多工況拓撲優(yōu)化的歸一化密度圖來看，兩側(cè)立板可以挖孔的區(qū)域較大，考慮轉(zhuǎn)臺座椅及其他轉(zhuǎn)臺附件的正常安裝，只在立板中間區(qū)域挖一個小孔。

優(yōu)化結(jié)果顯示，底板前部區(qū)域、回轉(zhuǎn)法蘭與變幅油缸座之間區(qū)域去除材料較多，而此兩處區(qū)域的材料對轉(zhuǎn)臺扭轉(zhuǎn)剛度有較大影響，去除材料會影響轉(zhuǎn)臺正常使用，故不去除此兩處區(qū)域的材料;底板回轉(zhuǎn)法蘭內(nèi)部區(qū)域去除材料對轉(zhuǎn)臺扭轉(zhuǎn)剛度的影響較小，故去除該處材料;連接兩側(cè)立板的加強筋去除少許材料，會增加制造的復雜性和生產(chǎn)成本，去除材料的性價比不高，故不去除加強筋的材料。重新設(shè)計的優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖10所示。

5 舉高消防車轉(zhuǎn)臺優(yōu)化后分析結(jié)果

優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)重量、應(yīng)力結(jié)果、位移結(jié)果對比如表2、表3所示。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)減重26%，工況一轉(zhuǎn)臺高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力減小23%，工況二、三轉(zhuǎn)臺高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力減小27%，工況四轉(zhuǎn)臺高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力減小20%;工況一轉(zhuǎn)臺總位移增加1.44 mm，工況二轉(zhuǎn)臺總位移增加1.63 mm，工況三轉(zhuǎn)臺總位移增加2.86 mm，工況四轉(zhuǎn)臺總位移增加1.67 mm。

與第三節(jié)保持一致，只展示工況一的應(yīng)力和位移圖，如圖11～圖12所示。

可以看出：轉(zhuǎn)臺重量減重的同時應(yīng)力分布更加均勻，材料利用率提升;剛度有微弱降低，對舉高消防車正常使用基本沒有影響。優(yōu)化后轉(zhuǎn)臺減重26%，為舉高消防整車提供了設(shè)計余量的同時提升了整車經(jīng)濟性。

6 結(jié)語

a.利用ANSYS拓撲優(yōu)化模塊優(yōu)化結(jié)構(gòu)的結(jié)果，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化有指導性意義。由于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)無法直接加工制造，仍需要二次建模。

b.優(yōu)化后轉(zhuǎn)臺重量減輕的同時應(yīng)力分布更加均勻，材料利用率提升;剛度有微弱降低，對舉高消防車正常使用基本沒有影響。

c.優(yōu)化后轉(zhuǎn)臺減重26%，為舉高消防整車提供了設(shè)計余量的同時提升了整車經(jīng)濟性。

參考文獻：

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作者簡介：

陳新志，男，1989年生，工程師，研究方向為舉高類消防車設(shè)計。