動力平板車車架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

劉 宇，張生芳，宋雪萍，丁江民

（大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

重型動力平板車是額定載重在50t以上的特大、特重貨物陸路運輸?shù)谋貍湓O(shè)備，具有自行走功能及液壓提升系統(tǒng)，并且有超重載荷搬運、機動靈活、自行駛、高穩(wěn)定性以及高通過性等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于路橋施工、船舶建造、大型構(gòu)件整體運輸?shù)裙こ填I(lǐng)域［1］.目前，在國際著名的平板車制造商及其研發(fā)團隊（如德國的KAMAG公司、SCHEUERLE公司，法國的Nicolas公司，日本的Shinko公司以及意大利的COMETTO公司）的引領(lǐng)下，動力平板車正向著大噸位、輕自重的方向發(fā)展.KAMAG公司目前最大單臺平板車的噸位已達(dá)到1 300多噸［2］.盡管我國也能自行研制出噸位接近1 000t的動力平板車，但由于設(shè)計理念的落后和缺乏關(guān)鍵技術(shù)的掌握，國產(chǎn)平板車在總體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等核心部分的設(shè)計與制造方面與國外同類相比還有較大差距.在傳統(tǒng)設(shè)計中常常以經(jīng)驗和使用情況為參照，這樣難免會出現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不合理，進而導(dǎo)致產(chǎn)品的超重，不利于現(xiàn)代產(chǎn)品節(jié)能降耗的要求.對于平板車的核心結(jié)構(gòu)件——車架來說，其重量的大小顯著影響了平板車的整車自重.如果能夠通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)車架的減重，則不僅節(jié)約了原材料，降低了生產(chǎn)成本，而且車輛工作中降低了燃油消耗，減少了排放，有利于環(huán)保，將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟與社會效益.因此車架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是重型平板車設(shè)計當(dāng)中至關(guān)重要的一步.本文通過對平板車車架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化分析，提出動力平板車車架的設(shè)計方案，為車架的改進設(shè)計提供了理論依據(jù).

1 動力平板車的工況分析及建模

1.1 動力平板車的工況分析

圖1為動力平板車滿載時的工作照片，載荷的重力幾乎完全作用在平板車車架上，并由車架傳遞到下車懸掛系統(tǒng).就載荷性質(zhì)而言，車架所受到的主要載荷為彎曲、扭轉(zhuǎn)、偏置和集中載荷等.彎曲載荷是車架自身質(zhì)量和負(fù)載產(chǎn)生的載荷.集中載荷是由于質(zhì)量比較大的貨物集中放在某處所產(chǎn)生的載荷.對載荷處理時，車架自身重量可以通過施加垂直方向上的重力加速度進行等效，貨物載荷一般處理為均布載荷.

1.2 建模注意問題

采用HyperWorks軟件建模及求解流程如圖2所示.

圖1 動力平板車滿載工作照片F(xiàn)ig.1 Working photo of a fully loaded power platform transporter

圖2 HyperWorks建模流程Fig.2 The modeling procedure of HyperWorks

HyperWorks進行有限元建模時應(yīng)注意的問題：

（1）導(dǎo)入CAD幾何模型時，需要考慮模型規(guī)模的大小.對于像車架構(gòu)件這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型項目，可在模型導(dǎo)入前去掉對分析結(jié)果影響較小的部分零件，并對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行簡化處理，忽略對整體力學(xué)性能影響較小的幾何細(xì)節(jié)，如半徑為5mm以下的孔、過渡圓角或倒角以及2mm以下的搭接邊上的凸臺等.

（2）從CAD導(dǎo)入的曲面模型或抽取的中面往往存在縫隙、重疊、錯位等缺陷，則需要利用HyperWorks的“Geometry Cleanup”（幾何清理）功能來消除錯位和小孔，壓縮相鄰曲面之間的邊界，消除不必要細(xì)節(jié)，以提高整個劃分網(wǎng)格的速度和質(zhì)量，減少計算誤差.

（3）有限元網(wǎng)格剖分時，應(yīng)根據(jù)分析的目的并結(jié)合模型的特點，選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋?，并根?jù)計算機的能力和要求的精度確定合適的網(wǎng)格大小，劃分網(wǎng)格.

（4）單元質(zhì)量對有限元的計算結(jié)果有較大影響.應(yīng)檢查所劃分的網(wǎng)格單元是否有重復(fù)的節(jié)點、重復(fù)的或缺少的單元以及高度畸變或翹曲的單元.控制單元長寬比≤10，單元內(nèi)角≥30°，單元翹曲角≤20°并避免特別小的單元［3］.在使用RBE2單元時，須分清主次，即同一個節(jié)點只能從屬于一個主點.

在模型離散化后，采用HyperWorks中的OptiStruct軟件進行拓?fù)鋬?yōu)化求解，OptiStruct求解器采用變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法來定義材料流動規(guī)律［4］，用近似法和可靠的優(yōu)化方法搜索得到最優(yōu)的加載路徑設(shè)計方案.

2 動力平板車車架拓?fù)鋬?yōu)化分析

2.1 動力平板車車架拓?fù)鋬?yōu)化問題的闡述

在動力平板車車架的設(shè)計中，在保證車架強度的同時，減輕車架重量，在保證車架局部屈曲穩(wěn)定性的前提下，提高車架的剛度一直是人們十分關(guān)注的問題.以動力平板車的柔順性最小為目標(biāo)，以材料在截面上的分布形式為設(shè)計變量，進行拓?fù)鋬?yōu)化分析，從而確定車架的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式.根據(jù)通常的拓?fù)鋬?yōu)化思想，將車架的初始設(shè)計區(qū)域離散成有限元網(wǎng)格，每個單元內(nèi)的材料認(rèn)為是由實體材料和孔洞構(gòu)成的空心材料，空心材料的等效性質(zhì)取決于材料的密度或空心率［5］.通過設(shè)計各單元的密度實現(xiàn)車架結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问絻?yōu)化.

2.2 動力平板車車架拓?fù)淠Ｐ偷慕?/h3>

2.2.1 分析模型選取

平板車車架選擇拓?fù)鋬?yōu)化分析時，先可視車架為矩形實體單元，給出模糊輪廓，車架與懸掛連接的回轉(zhuǎn)支承處布置是固定的，所以在相應(yīng)位置采用剛性單元模擬.

2.2.2 模型的建立

（1）利用HyperMesh軟件建立車架實體模型，并加載OptiStruct模板.

（2）創(chuàng)建材料屬性，并將其屬性分配給各組件集合器.設(shè)置初始彈性模量為E＝200GPa，泊松比為μ＝0.3.

（3）在2D組件內(nèi)創(chuàng)建一層殼單元，用“l(fā)inear solid”面板創(chuàng)建實體單元.利用“solid map”面板將現(xiàn)有的二維有限元網(wǎng)格拉伸成實體單元網(wǎng)格［6］.

（4）在回轉(zhuǎn)支承位置創(chuàng)建rigidlinks單元.

2.2.3 邊界條件的確定

100t動力平板車在工作過程中主要工況分為：①100t均布載荷工況；②100t均布載荷，前輪懸空工況；③100t均布載荷，后輪懸空工況.

對于第1種工況，邊界條件是將z方向的位移約束施加在8個回轉(zhuǎn)支承的剛性節(jié)點上，均布載荷施加在兩側(cè)主梁的節(jié)點上.

對于后2種工況，可歸納為3支點工況，即將其中位置相近的兩個回轉(zhuǎn)支承點的所有約束放開，其他6個回轉(zhuǎn)支承的剛性節(jié)點約束z方向的位移.

2.2.4 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置

（1）優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置 設(shè)計目標(biāo)：柔度最小；約束：體積分?jǐn)?shù)的上限值為0.15.

（2）定義兩個響應(yīng) 在“responses”子面板中定義 “volumefrac”和 “wcomp”兩個響應(yīng)［7］.選擇“Objective”面板將響應(yīng)“wcomp”定義成目標(biāo)函數(shù)；選擇“dconstraints”面板將響應(yīng)“volume－frac”定義成約束條件.

2.2.5 求解

采用變密度法，通過OptiStruct的拓?fù)鋬?yōu)化模塊進行求解.為了消除拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)值計算中的棋盤格和網(wǎng)格依賴現(xiàn)象，懲罰因子p取為3.優(yōu)化結(jié)果如圖3—6所示，其中圖3為車架在工況1載荷情況下的3D拓?fù)鋬?yōu)化圖.

圖3 工況1車架3D拓?fù)鋬?yōu)化圖Fig.3 3Dtopology optimal diagram of frame in case 1

圖4 工況1車架主平面拓?fù)鋬?yōu)化圖Fig.4 Main plane of frame topology optimal diagram in case 1

圖5 工況1車架側(cè)平面拓?fù)鋬?yōu)化圖Fig.5 Side plane of frame topology optimal diagram in case 1

圖6 工況2車架主平面拓?fù)鋬?yōu)化圖Fig.6 Main plane of frame topology optimal diagram in case 2

3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

在圖3—6所獲得的車架拓?fù)鋱D形中，不同顏色的區(qū)域代表不同的密度分布，具體數(shù)值見表1.相對密度值最大的區(qū)域是1區(qū)，代表主要承受載荷的區(qū)域.2—6區(qū)相對密度依次減少，說明所承受的載荷也依次減小，特別是5，6區(qū)，相對密度小于0.434，這部分所承受的載荷很小，在設(shè)計時可考慮將材料去除.

表1 相對密度分布表Tab.1 Distribution table of relative density

工況1下的車架主平面拓?fù)鋱D如圖4所示.1區(qū)主要分布在上下相對應(yīng)的回轉(zhuǎn)支承之間的連接區(qū)域以及施加載荷的上下兩個邊緣處，因此在1區(qū)相應(yīng)位置添加主要承力材料，在設(shè)計時可以考慮把主梁安放在此位置.2—4區(qū)域主要分布在1區(qū)附近，區(qū)域的分布走勢基本與1區(qū)相同，為次要承力部分，此部分可適當(dāng)布置承力材料，如布置加強梁和加強筋板等.5、6區(qū)基本分布在中間兩軸之間、前后兩軸與車架前后沿之間除去兩側(cè)邊緣的中間大塊區(qū)域，此部分的密度值很低，可視為無材料區(qū)，設(shè)計時可考慮掏空或僅布置少量材料起連接作用.

工況1下的車架側(cè)平面拓?fù)鋱D如圖5所示.從圖5可以看出，在工況1的載荷情況下，側(cè)平面的主要承載區(qū)域1區(qū)分布在圖形的中間部位，并幾乎占據(jù)了側(cè)平面的整個高度范圍.在中間的兩側(cè)，1區(qū)所占比例驟然減小，約占整個高度的1／3.參考圖3的拓?fù)鋱D形，可知側(cè)平面所描繪的1區(qū)域應(yīng)位于車架的上下兩側(cè)，可在此位置布置主要承力的梁結(jié)構(gòu)，并結(jié)合1區(qū)域在圖5中的分布走勢，將梁的側(cè)截面設(shè)置成兩邊低、中間高的倒置梯形結(jié)構(gòu).此外，在側(cè)平面拓?fù)鋱D的兩端1區(qū)域所占比例又迅速升高，約占1／2高度范圍，則可考慮在車架的前后兩端增加端梁結(jié)構(gòu)以改善車架的受力.

工況2下的車架主平面拓?fù)鋱D如圖6所示.1區(qū)主要分布在回轉(zhuǎn)支承附近，因此，在回轉(zhuǎn)支承位置處應(yīng)主要布置承力材料，這一點與工況1的部分分析結(jié)果相類似.2區(qū)主要分布于回轉(zhuǎn)支承交叉連接的區(qū)域之間，可根據(jù)實際情況設(shè)置加強梁（尤其當(dāng)車架的中間兩軸間距較大時），以抵抗由載荷偏置而造成的車架的側(cè)扭.圖6中其余大部分位置的相對密度都比較小，在設(shè)計中可適當(dāng)略去材料的布置.

4 結(jié)論

本文利用HyperMesh軟件中Optistruct模塊對100t動力平板車車架結(jié)構(gòu)進行拓?fù)鋬?yōu)化分析，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果獲得了實際工況下車架的承載規(guī)律，并結(jié)合車架拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，給出了動力平板車車架材料布置形式的建議，為車架的輕量化設(shè)計提供了理論依據(jù).

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