基于拓?fù)鋬?yōu)化的高空作業(yè)平臺上車架輕量化設(shè)計(jì)

左志永

（臨工重機(jī)股份有限公司，濟(jì)南 250000）

高空作業(yè)平臺是一種將人員和設(shè)備運(yùn)送到指定高度進(jìn)行安裝、維修及機(jī)械化施工的專業(yè)高空作業(yè)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于建筑施工、廠房維修以及船舶制造等領(lǐng)域。自2012年以來，我國高空作業(yè)平臺以接近30%的速度增長[1]。2019年，國內(nèi)高空作業(yè)平臺銷量達(dá)到了6.9萬臺，增幅130%。2020年，由于環(huán)境因素影響，國內(nèi)高空作業(yè)平臺年銷量仍然達(dá)到了8.6萬臺，同比增長25%，市場保有量突破20萬臺[2]。我國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，2021年我國高空作業(yè)平臺銷量達(dá)16.01萬臺，同比增長54.60%。

2020年以來，能源及鋼鐵等大宗商品價格持續(xù)上漲。為適應(yīng)工程機(jī)械電動化發(fā)展趨勢，輕量化設(shè)計(jì)在高空作業(yè)平臺的產(chǎn)品開發(fā)過程中愈發(fā)重要。產(chǎn)品輕量化不僅有利于控制整機(jī)成本，提升整機(jī)綜合產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以使電動化的工程機(jī)械獲得更長久的續(xù)航能力。高空作業(yè)平臺一般可以分為車載式、自行走式以及固定式3種[3]。臂架式高空平臺是自行走式高空作業(yè)平臺的一種，具有工作載荷大、作業(yè)范圍廣、作業(yè)高度大、可行走以及多動作組合的優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用。近年來，臂式高空作業(yè)平臺的市場需求快速上升。2015—2020年，國內(nèi)臂架式高空作業(yè)平臺的行業(yè)占比從8.75%提升至18.82%。

如圖1所示，臂架式高空作業(yè)平臺主要由工作平臺、臂架、上車架及下車架等部件組成。臂架通過第一鉸點(diǎn)和第二鉸點(diǎn)的鉸接銷軸，安裝到上車架。上車架通過回轉(zhuǎn)支承與下車架相連，可實(shí)現(xiàn)上車架的回轉(zhuǎn)。

圖1 臂架式高空作業(yè)平臺主要部件

通過對上車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，上車架的結(jié)構(gòu)存在一定的優(yōu)化空間，因此將借助拓?fù)鋬?yōu)化方法對上車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1 建立動力學(xué)模型，提取轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)載荷

利用動力學(xué)分析模塊導(dǎo)入建立好的幾何模型，在臂架連桿各鉸接位置建立鉸接副，在伸出臂與主臂之間建立滑動副，在運(yùn)動油缸部位建立滑動副，在各固定位置建立固定副，最終得到多體動力學(xué)分析模型，如圖2所示。

圖2 多體動力學(xué)分析模型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)整機(jī)的設(shè)計(jì)承載能力，在平臺籃筐邊緣100 mm處沿Z軸負(fù)方向施加1 600 N的作用力，將設(shè)備載荷均勻分布在平臺的1/4面積上，并在護(hù)欄邊緣沿X軸正方向施加400 N的作用力。在臂架的折臂舉升油缸處施加運(yùn)動驅(qū)動設(shè)備，設(shè)定好油缸運(yùn)動方向及速度。根據(jù)油缸的行程設(shè)置好仿真時間，并提交計(jì)算[4]。

為了獲得上車架的載荷曲線，在曲臂結(jié)構(gòu)的下連桿與上車架連接位置設(shè)置鉸點(diǎn)力輸出，提取載荷曲線，獲得臂架第一、第二鉸點(diǎn)與上車架之間的連接載荷，如圖3所示。

圖3 上車架-臂架鉸點(diǎn)載荷曲線提取

2 上車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

獲得載荷曲線后，利用有限元強(qiáng)度分析模塊，對上車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析。上車架主要由板材焊接而成，長度方向大且厚度方向小，因此有限元模型采用板殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。將動力學(xué)中提取的載荷曲線加載到上車架的臂架安裝位置，進(jìn)行上車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析，求解后獲得上車架在折臂舉升過程的強(qiáng)度結(jié)果，如圖4所示。

圖4 上車架強(qiáng)度分析結(jié)果

分析強(qiáng)度結(jié)果可知，上車架的側(cè)板最大應(yīng)力為103.063 MPa，主要作用在中心回轉(zhuǎn)支承上方的結(jié)構(gòu)圓弧處。設(shè)計(jì)材料參數(shù)可知，側(cè)板的屈服極限為355 MPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，塑性材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足2倍的安全系數(shù)即可。目前，材料的安全系數(shù)為3.45。分析發(fā)現(xiàn)，在中心回轉(zhuǎn)支承至臂架安裝鉸點(diǎn)區(qū)域，板材上應(yīng)力大多在60 MPa以下。相關(guān)人員沒有充分利用大量的板材區(qū)域，因此上車架的結(jié)構(gòu)仍存在較大的輕量化空間。

3 上車架側(cè)板拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是從拓?fù)鋵W(xué)演化發(fā)展的一門優(yōu)化技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)和大型商用有限元分析軟件的應(yīng)用，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天等工程領(lǐng)域。

拓?fù)鋬?yōu)化也叫外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化。它通過研究結(jié)構(gòu)之間的相互連接關(guān)系，結(jié)構(gòu)區(qū)域有無材料的拓?fù)湫问剑诒ＷC結(jié)構(gòu)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)重量的目的。拓?fù)鋬?yōu)化最早應(yīng)用在離散結(jié)構(gòu)，因此易與有限元分析法結(jié)合。

拓?fù)鋬?yōu)化主要有變厚度法、均勻化法以及變密度法。本次的上車架側(cè)板由一塊等厚度鋼板下料構(gòu)成，通過變密度法優(yōu)化區(qū)域的密度，改變結(jié)構(gòu)形狀輪廓，以實(shí)現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)重量的目的。變密度法的基本思想是當(dāng)結(jié)構(gòu)離散化建立有限元分析模型后，引入一種假想的可變密度材料，指定結(jié)構(gòu)離散后的每個單元密度相同，將單元的密度設(shè)置為優(yōu)化變量，則有

式中：Xe為每個單元的相對密度；ρ0為設(shè)計(jì)區(qū)域力單元的固有密度；ρ為拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量。當(dāng)Xe=1時，該單元有材料，應(yīng)當(dāng)保留；當(dāng)Xe=0時，該單元無材料，應(yīng)當(dāng)刪除。優(yōu)化拓?fù)鋾r，盡量使設(shè)計(jì)區(qū)域材料的密度分布為0～1[6]。

利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，對上車架的側(cè)板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。先對上車架側(cè)板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域與非拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域進(jìn)行設(shè)定。上車架側(cè)板上的臂架安裝位置和吊裝位置等關(guān)鍵點(diǎn)以外的區(qū)域設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域。在優(yōu)化區(qū)域，單元密度可變?yōu)?，非優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的單元密度不變。優(yōu)化區(qū)域設(shè)置如圖5所示。

圖5 上車架優(yōu)化區(qū)域設(shè)置

在拓?fù)鋬?yōu)化時，以應(yīng)力為約束條件，板材的屈服極限為355 MPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，塑性材料的安全系數(shù)不小于2，因此設(shè)置應(yīng)力上限為190 MPa。設(shè)置優(yōu)化響應(yīng)為體積，優(yōu)化目標(biāo)為體積最小，待設(shè)置完成后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

對模型進(jìn)行提交求解計(jì)算，經(jīng)過14次迭代，計(jì)算過程逐漸收斂。計(jì)算完成后，獲得拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果如圖6所示。

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化后材料分布云圖

根據(jù)圖6拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，優(yōu)化時設(shè)置的材料最小密度為0，因此對于受力較小的路徑單元材料可以完全優(yōu)化掉，部分單元的密度變?yōu)?（變?yōu)榭锥矗?；在受力較大的路徑單元，材料予以保留；在非優(yōu)化區(qū)域，單元無任何變化。

4 上車架側(cè)板幾何重構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果比較理想化。臂架安裝位置和吊裝位置需要根據(jù)工程實(shí)際重新設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)上的連續(xù)。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果，利用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件，重新設(shè)計(jì)優(yōu)化后的側(cè)板。在考慮結(jié)構(gòu)的受力路徑、安裝結(jié)構(gòu)及工藝結(jié)構(gòu)等因素后，優(yōu)化設(shè)計(jì)上車架側(cè)板形狀。優(yōu)化后的側(cè)板三維結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)

根據(jù)原有的分析結(jié)果，在回轉(zhuǎn)支承上方圓弧處的應(yīng)力集中位置進(jìn)行了形狀優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)整體受力更優(yōu)。與原有的側(cè)板結(jié)構(gòu)對比，優(yōu)化后的側(cè)板結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了46 kg。

5 優(yōu)化后上車架側(cè)板強(qiáng)度重新分析

對優(yōu)化后的上車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，按照之前的方法進(jìn)行單元離散化求解分析，強(qiáng)度分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

優(yōu)化后的上車架側(cè)板最大應(yīng)力為104.1 MPa，與之前應(yīng)力相比稍有增大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平上升，表明材料利用更加充分，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按照不同的受力路徑分布，結(jié)構(gòu)受力更加合理。

6 結(jié)語

通過動力學(xué)分析，提取臂架連桿與上車架連接鉸點(diǎn)之間的載荷曲線，分析上車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)上車架存在輕量化的空間。利用拓?fù)鋬?yōu)化法，以應(yīng)力為約束目標(biāo)，對上車架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力分布，進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了上車架側(cè)板質(zhì)量減少46 kg的目標(biāo)，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍然滿足要求。拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的方法，為高空作業(yè)平臺的設(shè)計(jì)尤其是對電動化趨勢下的產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)帶來了全新的思路。