基于衍生式設(shè)計(jì)的汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)輕量化探析

王 宏 宇，滕 儒 民*，楊 娟，任 利 有

( 1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.三一汽車起重機(jī)械有限公司 起重機(jī)研究院，湖南 長沙 410600 )

0 引 言

為降本節(jié)能，汽車起重機(jī)輕量化技術(shù)已成為汽車起重機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題，探尋汽車起重機(jī)輕量化的方法和途徑，減少鋼材消耗，降低作業(yè)過程中能耗，已成為汽車起重機(jī)企業(yè)的核心競爭力之一[1]．

汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)是汽車起重機(jī)起重作業(yè)的中心樞紐，它支撐著吊臂，安裝著回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)及平衡配重，連接著回轉(zhuǎn)支承．起重作業(yè)的所有運(yùn)動(dòng)(包括起升、變幅和回轉(zhuǎn)等)都要通過它來完成，這就決定了轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)受載狀況惡劣，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜．作為汽車起重機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，其質(zhì)量決定了整車質(zhì)量及綜合能耗[2]．國內(nèi)外很多學(xué)者對轉(zhuǎn)臺(tái)問題的研究主要集中在拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化及形狀優(yōu)化[3-6]，而對轉(zhuǎn)臺(tái)的衍生式設(shè)計(jì)研究較少．歐洲空客使用衍生式設(shè)計(jì)開發(fā)了飛機(jī)隔離板和后座支撐結(jié)構(gòu)“仿生隔板”，保證強(qiáng)度的同時(shí)質(zhì)量減輕45%．通用汽車衍生式設(shè)計(jì)了單部件安全帶支架代替原有的八件式組件，減重的同時(shí)減少部件數(shù)目[7]．葛海波運(yùn)用衍生式設(shè)計(jì)，輕量化設(shè)計(jì)了雙足機(jī)器人的大腿及小腿機(jī)構(gòu)，提升了運(yùn)動(dòng)性能[8]．相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段具有CAD模型更改頻繁、需要初始幾何圖元、設(shè)計(jì)方案單一等局限及不足，衍生式設(shè)計(jì)消除了幾何創(chuàng)建過程中的猜測．它可以產(chǎn)生人類大腦永遠(yuǎn)不會(huì)想到的各種設(shè)計(jì)解決方案，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)受到完全成形的人類設(shè)計(jì)理念及偏見的約束．作為一種設(shè)計(jì)探索技術(shù)，其能夠根據(jù)邊界條件、裝配接口位置、制造條件和產(chǎn)品性能要求(如強(qiáng)度、質(zhì)量、材料等)，利用基于人工智能的算法，同步生成多種可行的解決方案，讓工程師從重復(fù)性設(shè)計(jì)工作中解脫，大幅提高設(shè)計(jì)效率．本文利用基于云的CAD/CAM/CAE軟件Fusion 360中的衍生式設(shè)計(jì)模塊，對汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行衍生式設(shè)計(jì)，在滿足性能要求的前提下，探索轉(zhuǎn)臺(tái)理想的結(jié)構(gòu)形式，對現(xiàn)有設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)輕量化的目的．

1 某型轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析

1.1 有限元建模

采用Ansys Workbench進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸建立幾何模型．此轉(zhuǎn)臺(tái)所用板材材料屬性如表1所示．單元類型采用SHELL181單元，利用遠(yuǎn)程點(diǎn)(remote point)剛性耦合各鉸點(diǎn)用以荷載的加載．劃分的網(wǎng)格主要由四邊形網(wǎng)格元素組成，局部為三角形網(wǎng)格元素(Quad/Tri)；根據(jù)網(wǎng)格尺寸對比分析，單元大小定義為35 mm，可較好滿足計(jì)算精度要求．

表1 材料屬性

選擇4種分析工況，分別為1倍最大吊重加5%側(cè)載(工況1)、1倍最大彎矩加5%側(cè)載(工況2)、1.25倍最大吊重(工況3)、1.25倍最大彎矩(工況4)．

轉(zhuǎn)臺(tái)加載方式如圖1所示．變幅液壓缸鉸點(diǎn)、臂架鉸點(diǎn)及卷揚(yáng)安裝孔均剛性連接，對應(yīng)荷載作用在剛性節(jié)點(diǎn)上．單繩拉力作用在卷揚(yáng)節(jié)點(diǎn)上，配重安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)的卷揚(yáng)箱體下方．變幅液壓缸下鉸點(diǎn)反力作用在轉(zhuǎn)臺(tái)前端支座剛性節(jié)點(diǎn)處．大臂尾鉸點(diǎn)是雙軸形式，所以在尾鉸點(diǎn)處建立兩個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)．大臂尾鉸點(diǎn)力、最大切向力、幅度切向力及高度切向力均換算成力偶形式加載在尾鉸點(diǎn)的兩個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)上．考慮到實(shí)際受力狀況與建模簡化，在底板中性面處建立與座圈重合的環(huán)形區(qū)域，以環(huán)形區(qū)域作為約束區(qū)域．

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)加載方式

1.2 未優(yōu)化前原結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖2、3為轉(zhuǎn)臺(tái)在工況1下的計(jì)算分析結(jié)果．

經(jīng)計(jì)算，最大von Mises應(yīng)力值位于墻板后底部靠近螺栓孔處，應(yīng)力為502.54 MPa．該處屬于小區(qū)域應(yīng)力集中且數(shù)值小于屈服強(qiáng)度，滿足要求．由于受到5%側(cè)載力的影響，最大總變形發(fā)生在立板上封板處，為10.397 mm．該位置在垂直變幅平面方向，最大變形為8.975 0 mm．對于轉(zhuǎn)臺(tái)的側(cè)向變形和變幅平面內(nèi)變形，目前規(guī)范均未有明確的許用值規(guī)定．但是轉(zhuǎn)臺(tái)剛度對起重機(jī)運(yùn)行中的啟制動(dòng)有著明顯影響，各企業(yè)根據(jù)試驗(yàn)有自己的評價(jià)指標(biāo)，非本文重點(diǎn)，這里不進(jìn)行討論．

圖2 原結(jié)構(gòu)工況1總體應(yīng)力云圖

2 轉(zhuǎn)臺(tái)的衍生式設(shè)計(jì)

2.1 衍生式設(shè)計(jì)概述

衍生式設(shè)計(jì)是模擬大自然中生物進(jìn)化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅需輸入特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如性能要求、材料、制造方法等．應(yīng)用程序明確設(shè)計(jì)要求后在程序化合成的設(shè)計(jì)空間內(nèi)評估大量生成的設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求．整個(gè)設(shè)計(jì)空間中每種解決方案的性能數(shù)據(jù)也會(huì)給予反饋．在實(shí)時(shí)評估設(shè)計(jì)方案時(shí)可隨時(shí)調(diào)整目標(biāo)和約束以生成符合優(yōu)化定義的新結(jié)果．選到滿意的設(shè)計(jì)方案便能將設(shè)計(jì)導(dǎo)出生成幾何圖元以便在其他CAD程序中使用[9]．

Fusion 360是基于云的CAD/CAM/CAE工具，支持協(xié)作式產(chǎn)品開發(fā)．快速簡便的有機(jī)建模與精確的實(shí)體造型兼顧，其中的衍生式設(shè)計(jì)模塊可以按照目標(biāo)和約束定義設(shè)計(jì)問題并生成滿足要求的設(shè)計(jì)方案[10]．

2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)起重臂、變幅液壓缸、起升主副卷揚(yáng)及配重安裝的邊界條件，在Fusion 360的衍生式設(shè)計(jì)模塊中定義設(shè)計(jì)空間．衍生式設(shè)計(jì)無須給出初始形狀，只需根據(jù)原始設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)確定衍生式設(shè)計(jì)中的保留幾何圖元與障礙物幾何圖元．保留幾何圖元為指定要包括在設(shè)計(jì)最終形狀中的實(shí)體，這些實(shí)體以綠色顯示．障礙物幾何圖元表示在生成結(jié)果過程中不會(huì)放置材料的空白區(qū)域的實(shí)體，也是在設(shè)計(jì)中需要避開的空間，這些實(shí)體以紅色顯示．

將減速機(jī)安裝座圈、回轉(zhuǎn)支承連接座圈、配重螺母、起重臂尾部安裝鉸點(diǎn)軸套及卷揚(yáng)安裝位置設(shè)為保留幾何圖元，其他邊界條件設(shè)為障礙物幾何圖元，如圖4所示．

圖4 保留幾何圖元及障礙物幾何圖元

模型建立后，分別按照1.1節(jié)設(shè)定的4種工況進(jìn)行解算，轉(zhuǎn)臺(tái)受力示意圖如圖5所示．為保證衍生式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的對稱性，將帶側(cè)載工況按側(cè)載方向不同分為兩種荷載工況進(jìn)行衍生設(shè)置，共設(shè)置6種荷載工況，如圖6及表2所示．這種設(shè)置方式間接提高了帶側(cè)載工況的權(quán)重，也解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)側(cè)向剛度不足的問題．

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)受力示意圖

轉(zhuǎn)臺(tái)衍生式設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求的情況下，最小化質(zhì)量．所以在目標(biāo)設(shè)定中選擇最小化質(zhì)量．材料初選HG785．Fusion 360的衍生式設(shè)計(jì)模塊中提供了增材制造、銑削加工及鑄造多種加工方法，為了得到滿足輕量化設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，在加工制造方法中選擇不限制加工方法．衍生式設(shè)計(jì)可以根據(jù)給定的物理材料來計(jì)算生成不同的結(jié)構(gòu)模型，這里目的是對轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)新形式的探索，因此沒有考慮加工能力的限制．

圖6 荷載施加

表2 工況荷載

衍生式設(shè)計(jì)可得到多個(gè)設(shè)計(jì)方案，通過對設(shè)計(jì)方案的篩選以及對設(shè)計(jì)參數(shù)迭代修正，在后處理界面中選擇合適的設(shè)計(jì)方案．衍生式設(shè)計(jì)模塊的后處理也會(huì)把所選設(shè)計(jì)方案的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行初步反饋，可通過反饋初步了解結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、質(zhì)量及整體安全系數(shù)等信息．

B=A·R=(0.191 6,0.284 3,0.297 9,0.168 4,0.172 9), Z=b3=0.2979,評價(jià)為合格。

所選方案模型共經(jīng)歷63次迭代，在3D視圖中觀察其迭代過程如圖7所示，并選擇最合理的迭代版本．

圖7 迭代過程

綜合質(zhì)量及強(qiáng)度等屬性，選定的衍生式設(shè)計(jì)模型如圖8所示，將結(jié)果導(dǎo)出為.STEP格式文件．

圖8 衍生式設(shè)計(jì)方法獲得的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.3 衍生結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

將衍生式設(shè)計(jì)的模型在有限元分析軟件Ansys Workbench中仿真分析，運(yùn)用SCDM直接建模軟件進(jìn)行模型修復(fù)．因衍生式設(shè)計(jì)的輸出模型有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤面等問題，導(dǎo)致不能進(jìn)行網(wǎng)格劃分等操作，需要對其進(jìn)行處理方可進(jìn)行分析．

圖9、10為衍生式轉(zhuǎn)臺(tái)在工況1下的計(jì)算分析結(jié)果．通過計(jì)算，最大von Mises應(yīng)力值位于卷揚(yáng)架前上部，為319.29 MPa，屬于小范圍應(yīng)力集中．其余大部分應(yīng)力均控制在220 MPa以下，整體有較大安全裕度．由于受到5%側(cè)載力影響，最大總變形發(fā)生在大臂尾鉸點(diǎn)上部，為4.697 5 mm．該位置在垂直變幅平面方向?qū)儆谧畲笞冃?，?.411 3 mm．

圖9 衍生結(jié)構(gòu)工況1總體應(yīng)力云圖

2.4 模型對比

未優(yōu)化轉(zhuǎn)臺(tái)原結(jié)構(gòu)與衍生優(yōu)化設(shè)計(jì)方案指標(biāo)對比如表3、4所示．衍生式設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)平衡了各工況中的最大應(yīng)力，使各工況中的應(yīng)力水平均較原結(jié)構(gòu)大幅降低，提高了材料的利用率．前兩種工況均帶有5%側(cè)載．同時(shí)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)剛度較差．

衍生結(jié)構(gòu)在質(zhì)量減輕12%的同時(shí)，側(cè)向變形減小55.6%，最大變形減小30.2%．轉(zhuǎn)臺(tái)在變幅平面及回轉(zhuǎn)平面的剛度均有大幅提升，說明衍生式設(shè)計(jì)能夠保證結(jié)構(gòu)在滿足約束及結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小的前提下保持較優(yōu)剛度，驗(yàn)證了衍生式設(shè)計(jì)的有效性及合理性．綜合分析優(yōu)化前后轉(zhuǎn)臺(tái)的力學(xué)性能可知，衍生式設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)能滿足給定的不同工況要求，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)．

表3 新舊方案強(qiáng)度對比

表4 新舊方案剛度對比

2.5 衍生結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

一般汽車起重機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為800 r/min，最高轉(zhuǎn)速為1 900 r/min．兩類頻率分別為13.3及31.7 Hz，均遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)固有頻率，說明不會(huì)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)安全．從圖11可以看到，前4階振型主要在轉(zhuǎn)臺(tái)后端卷揚(yáng)支架處發(fā)生左右顫動(dòng)；5階振型主要是轉(zhuǎn)臺(tái)腹板處向外側(cè)振動(dòng)．故在該方案的應(yīng)用中后端卷揚(yáng)支架及腹板處值得注意．

圖11 衍生式轉(zhuǎn)臺(tái)5階振型

2.6 衍生結(jié)構(gòu)屈曲分析

對衍生式轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行線性特征值屈曲分析，臨界荷載系數(shù)及典型屈曲振型圖如表5及圖12所示．前兩階屈曲變形均發(fā)生在轉(zhuǎn)臺(tái)斜下方結(jié)構(gòu)處，為局部彎曲變形．因屈曲系數(shù)較大且為負(fù)值，僅有當(dāng)結(jié)構(gòu)承受反向臨界失穩(wěn)荷載時(shí)才會(huì)發(fā)生屈曲．這種情況實(shí)際中不會(huì)發(fā)生，說明衍生式轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定性較好，不會(huì)發(fā)生整體及局部失穩(wěn)．

表5 臨界荷載系數(shù)

3 結(jié) 論

(1)將衍生式設(shè)計(jì)應(yīng)用到轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，對優(yōu)化后的模型進(jìn)行有限元仿真，通過仿真結(jié)果對比驗(yàn)證了衍生式設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性及有效性．

(2)本次的衍生式設(shè)計(jì)是在考慮了側(cè)載以及對模型結(jié)構(gòu)對稱化處理的情況下進(jìn)行的，解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)側(cè)向剛度不足的問題．

(3)衍生式設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果為理想化模型，但模型展現(xiàn)了在鉸點(diǎn)位置固定的情況下轉(zhuǎn)臺(tái)理想的材料分布及轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力的最佳傳遞狀態(tài)，可以對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)及借鑒作用．