资源描述：
《起重机伸缩臂截面拓扑优化》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第49卷第3期大连理工大学学报Vol.49,No.32009年5月JournalofDalianUniversityofTechnologyMay2009文章编号:100028608(2009)0320374206起重机伸缩臂截面拓扑优化王欣*1,黄琳1,2,高媛1,高顺德1,王益华3(1.大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116024;2.大连重工#起重集团有限公司,辽宁大连116013;3.71811部队装备部,河南驻马店463000)摘要:将拓扑优化应用在起重机臂架截面结构设计中,可以解决起重机伸缩臂结构的最优分布问题,从而提高起重机伸
2、缩臂的力学性能,减轻臂架自重.分析拓扑优化中材料变密度法及其相关参数对拓扑优化结果的影响,采用结构力学中的拓扑优化方法建立了伸缩吊臂的拓扑优化数学模型.利用HyperMesh软件建立起重机臂架的有限元模型,并用OptiStruct软件进行优化分析,获得了最优的臂架截面拓扑图.优化结果表明数学模型是合理的,拓扑优化应用在起重机臂架截面设计中是有效的.关键词:拓扑优化;变密度法;起重机;臂架截面中图分类号:TH21文献标志码:A0引言有重要的现实意义.目前,拓扑优化的研究已应用到离散结构和连续结构的优化设计中.Bendsoe起重机伸缩臂截面的设计
3、是起重机结构设计等对桁架结构最小柔顺性设计,提出了处理非光中的重要问题.伸缩臂截面的合理设计能够充分[2]滑问题的精致算法;程耿东等提出了一种E2发挥材料的力学性能,提高臂架的强度和抗屈曲[3、4]Relaxed算法处理桁架结构奇异最优解问题;能力,从而大幅度提高整机的起重性能.起重机逐[5]左孔天等研究了热传导散热体的结构优化问题.渐地向大吨位和大起升高度方向发展,对臂架的本文通过详细分析材料密度法的惩罚因子对结构要求越来越高.收敛结果的影响,建立伸缩吊臂拓扑优化的数学目前,对臂架结构分析的方法有3种:一是采用解析法[1]计算吊臂的强度及稳
4、定性;二是采用模型,并通过对三维伸缩臂架的优化设计验证伸缩吊臂拓扑优化数学模型的正确性及将拓扑优化有限元软件)))Ansys进行强度分析;三是采用引入伸缩臂结构设计这一思想的可行性,为起重不改变截面形式而改变臂架截面宽度和高度的方法进行尺寸优化.这3种方法对起重机臂架结构机臂架结构设计提供可行性参考.的研究发挥了一定的作用.但它们有一定的局限1结构拓扑优化模型的建立性:(1)不能改变原结构的形状和拓扑形式;(2)受初始边界的影响很大.1.1SIMP方法拓扑优化与上述方法相比,拓扑优化的特点是:(1)可变密度法(solidisotropicmi
5、crostructure以通过改变结构的拓扑形式来达到优化结构性能withpenalty,SIMP)是较早采用的拓扑优化方[6]和组成的目的;(2)可以根据材料/最佳传力路径0法,它以连续变量的密度函数形式用显式表达来决定单元的取舍,并根据需要在结构内部自动单元相对密度与材料弹性模量之间的对应关系,开孔.拓扑优化的特点恰恰弥补了上述3种方法这种方法基于各向同性材料,人为假定相对密度的局限性,因此,拓扑优化在工程应用中的研究具和材料特性之间对应关系是一种伪密度.优化时收稿日期:2007205220;修回日期:2009204201.作者简介:王欣
6、*(19722),女,副教授,E2mail:wangxbd21@163.com.第3期王欣等:起重机伸缩臂截面拓扑优化375以材料密度为拓扑设计变量,这样结构拓扑优化去除便不能恢复,有很大的弊端.因此在实际操作问题被转换为材料的最优分布问题.该方法在多时,往往不进行网格的重新划分,而是将空洞区域工况应力约束下的平面体结构、二维连续体结构、填充一种非常脆的材料,这样可避免有限元分析结构碰撞、汽车车架设计等问题上得到成功的应时产生奇异解,去除的材料可根据需要再次恢复.用.因此,密度的变化范围为E[Q(x)[1,其中E是变密度法引入一种假想的密度可
7、变的材料,一个很小的数,可取0.001或更小.优化时以材料密度为拓扑设计变量,材料特性用由于变密度法的惩罚因子可调,概念简单,易单元密度的指数函数模拟,即于实现,计算效率高,对某些问题可得到全局最优pE(x)=E0Q(x)(1)解,因此利用变密度法对起重机箱形臂架进行研式中:E0为初始弹性模量;Q为单元密度;p为惩究.罚因子.以结构的最小柔度设计问题为例,其拓扑优惩罚因子p的作用是推动单元密度向0或1化模型可表示为逼近,从而可以得到更加清晰的拓扑形式,它的取minC=FTU值与泊松比有关,如图1所示.Vs.t.f=V0(3)F=KUe0[xm
8、in[x[xmax式中:C为柔度矩阵;F为所施加的荷载向量;U为位移向量;f为体积分数;V为优化后臂架的体积;V0为优化前臂架的体积;K为刚度矩阵;xmin、exm
