基于Workbench的滑輪固定板優(yōu)化設(shè)計

張曉強，劉慧芬，焦桔萍，俞 飛，王武魁，祝利濤

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 長治 046000)

0 引言

某救援裝備戰(zhàn)場情況下?lián)尵热蝿?wù)重，時限要求嚴(yán)酷，必須配備使用方便快捷的專業(yè)設(shè)備作為遂行任務(wù)的關(guān)鍵支撐。作為某救援裝備的關(guān)鍵附件,滑輪及其主要零件承載著起重運輸救援過程中的全部載荷，其強度和質(zhì)量對某特定保障對象拖拽救援過程中的可靠性和工作效率具有重要的影響。

滑輪固定板作為滑輪的主要承載件，其重量大，較滑輪整體占較大的比重，實際使用時對后勤保障人員的體能提出了較高的要求。

因此，有必要在滿足使用要求的前提下對滑輪固定板進行優(yōu)化設(shè)計，降低重量，以減小后勤保障人員作業(yè)強度。

1 建立滑輪固定板的三維模型

滑輪由固定板、側(cè)板、滑輪體、上銷軸、下銷軸等組成。利用仿真軟件Workbench中自帶的DesignModeler(DM)幾何建模平臺完成研究對象的三維建模，如圖1所示。

1-滑輪體；2-上銷軸；3-側(cè)板；4-固定板；5-下銷軸

2 有限元仿真

2.1 建立有限元模型

通過對滑輪三維裝配體模型特征進行預(yù)處理、賦予材料屬性、設(shè)置接觸類型、合理劃分網(wǎng)格、添加約束、施加載荷等進行有限元分析。特征預(yù)處理的目的是刪除對結(jié)果影響微小的特征，簡化計算過程。

滑輪固定板材料為HG785D高強度鋼板，抗拉強度σb=785 MPa，屈服強度σs=685 MPa。對于σs/σb≥0.7的鋼材，基本許用應(yīng)力[1]按式(1)計算：

(1)

其中：[σ]為鋼材的基本許用應(yīng)力；n為強度安全系數(shù)。

考慮滑輪使用頻率及救援作業(yè)時的工作效率，取強度安全系數(shù)n=1.22，則HG785D高強度鋼板的基本許用應(yīng)力[σ]=506 MPa。

模型采用自動劃網(wǎng)格分法，得到4 932個節(jié)點，101 738個單元，滑輪模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

忽略鋼絲繩在繩槽內(nèi)偏移的影響及其卷繞阻力，不計在繩槽接觸面產(chǎn)生的滾動摩擦力[2]，對滑輪添加約束和施加載荷后求解計算。

圖2 滑輪模型網(wǎng)格劃分

2.2 有限元分析

滑輪固定板等效應(yīng)力云圖如圖3所示，最大應(yīng)力為437 MPa?；喒潭ò蹇傋冃卧茍D如圖4所示，最大變形為0.22 mm，滿足使用要求。

3 拓?fù)鋬?yōu)化

在Shape Optimization中將重量減少50%設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)，對滑輪固定板進行拓?fù)鋬?yōu)化，固定板外側(cè)優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，固定板內(nèi)側(cè)優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對滑輪固定板進行修改，無需完全參考優(yōu)化結(jié)果，改進后的固定板模型如圖7所示。對修改后的模型添加同樣的約束和施加同樣的載荷，再次進行求解計算。拓?fù)鋬?yōu)化后固定板應(yīng)力云圖如圖8所示，最大應(yīng)力為372 MPa。拓?fù)鋬?yōu)化后固定板總變形云圖如圖9所示，最大變形為0.33 mm，綜合分析，滿足使用要求。

圖3 固定板等效應(yīng)力云圖 圖4 固定板總變形云圖

圖5固定板外側(cè)優(yōu)化結(jié)果 圖6固定板內(nèi)側(cè)優(yōu)化結(jié)果

4 多目標(biāo)優(yōu)化求解

通過目標(biāo)驅(qū)動進行優(yōu)化設(shè)計時，需提前定義輸入?yún)?shù)和目標(biāo)參數(shù)，輸入?yún)?shù)如圖10所示。

(1) 定義滑輪固定板的輸入?yún)?shù)為R1、R2及L。根據(jù)固定板結(jié)構(gòu)尺寸限制，給定尺寸變化區(qū)間：62.5 mm≤R1≤72.5 mm，62.5 mm≤R2≤72.5 mm，40 mm≤L≤65 mm。

圖7改進后固定板模型圖8拓?fù)鋬?yōu)化后固定板
等效應(yīng)力云圖

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化后固定板總變形云圖

(2) 定義滑輪固定板的目標(biāo)參數(shù)為最小質(zhì)量、最

大應(yīng)力和最大變形。為保證滑輪使用可靠，設(shè)計時應(yīng)留有一定的安全裕度，求解目標(biāo)為最大應(yīng)力小于506 MPa、最大變形小于0.5 mm時固定板最小質(zhì)量。

(3) 參數(shù)優(yōu)化完成后，根據(jù)最優(yōu)解完成固定板三維模型更新、添加邊界約束和施加載荷并進行求解。參數(shù)優(yōu)化后固定板應(yīng)力云圖如圖11所示，最大應(yīng)力為418 MPa。參數(shù)優(yōu)化后固定板總變形云圖如圖12所示，最大變形為0.41 mm。綜合分析，滿足使用要求?；喒潭ò鍍?yōu)化前、優(yōu)化后參數(shù)對比見表1。

圖10 固定板輸入?yún)?shù)示意圖

圖11 參數(shù)優(yōu)化后固定板 圖12 參數(shù)優(yōu)化后固定板等效應(yīng)力云圖 總變形云圖

5 結(jié)論

(1) 通過使用Workbench軟件的DM模塊建立滑輪固定板三維模型，對其進行受力仿真分析和拓?fù)鋬?yōu)化，并進行了多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化，使滑輪固定板質(zhì)量減小了46%。

(2) 滑輪側(cè)板也可用同樣的方式進行優(yōu)化?；喺w質(zhì)重量降低，明顯減小了后勤保障人員救援作業(yè)的強度。