基于拓扑及形状优化的大吨位装载机轻量化设计方法研究-论文.pdf

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1、设计计算l吣GN＆c眦u。N基于拓扑及形状优化的大吨位装载机轻量化设计方法研究王哓明，王林颖，孟令超，李晓枫，张永胜，魏加洁(徐工集团工程机械股份有限公司，江苏徐州221004)[摘要]综合运用拓扑及形状优化的设计思想，对大吨位装载机动臂结构材料布局及边界形状进行优化设计。首先以结构刚度最大化为设计目标，考虑材料体积约束，优化结构材料布局，采用准则法对优化问题求解，得到结构最优拓扑；然后在拓扑优化结果的基础上，以结构位移为目标，考虑最大应力约束，优化结构边界形状，得到动臂最优结构。经强度校核证明设计方案的有效性。[关键词]大吨位装载机；轻量化；拓扑优化；形状优化[中图分

2、类号]TH243[文献标识码]B[文章编号]1001—554X(2015)06—0094—04Studyofthemethodforlightweightdesignoflarge-tonnageshovelloaderbasedontopologyandshapeoptimizationWANGXiao—ming，WANGLin—ying，MENGLing—chao，LIXiao—feng，ZHANGYong—sheng，WEIJia-jieT程机械的迅速发展为结构优化设计开辟了量的角度出发，对动臂进行优化设计，减轻结构重一个广阔的应用空间，国内部分学者对装载量、提高

3、结构可靠性，节省能耗。机工作装置的优化设计进行了建设性的T作，然而综合运用多种优化方法实现结构减重的研究尚不多见。本文采用拓扑优化和形状优化设计方法，研究大吨位装载机动臂的优化设计问题。首先建立动臂结构拓扑优化问题的数学模型，以材料密度为设计变量，对最优拓扑进行提取，建立了新的有限元模型；并以此为基础，对动臂边界进行形状优化设计，得到形状最优的结构；最后，对设计方案进行图1工作装置结构模型强度校核，结果证明了综合优化方法的有效性。通常装载机T作装置在掘起工况下受力最1初始模型强度分析大，本文在强度计算中，选用掘起工况(如图3所示)为计算T况。其中铲斗水平放置，在距铲斗1

4、．1结构模型与边界条件设置主刀板最前缘lOOmm处均匀加载284kN的掘起力，某新型12t普通动臂装载机工作装置结构如图根据几何关系推导出动臂和摇臂油缸作用力，分别1所示，整个T作装置通过3对铰接孔安装在前车架上。动臂上下铰点中心距3755mm，两动臂板间DOhl0．14189~．cnki．cm1981．2015．06．009距1192mm，动臂板厚度为70ram，其结构如图2所[收稿日期]2015—03—19示，其中A为动臂下铰点，为摇臂梁铰点，c为动[通讯地址]王哓明，江苏省徐州市经济技术开发区广德臂油缸铰点，D动臂为上铰点。本文从减轻结构重路99号徐工集团铲运机械

5、事业部技术中心94建枷挑2015．6设计计算lGN＆c眦u有限元大位移计算方法按前述方法进行设置接近有限元大位移计算方法的结果，解析大位移方计算，其计算结果如图6所示。从图中可知，清障法次之，在进行道路清障车吊臂设计时可以优先选车吊臂端部的挠~=399．12ram。择这两种计算方法；变形叠加法和有限元小位移法与有限元大位移法比较，计算误差相对较大，而且变形叠加法计算比较复杂；另外当量惯性矩计算方法的计算结果相对有限元大位移方法的计算结果偏大较多，属于比较保守的计算方法，但是这种计算方法计算过程简单，可用于清障车吊臂方案设计阶段，后期再选择其它方法进行详细计算；有限元大位

6、移法由于是按照吊臂的实际结构进行计算的，所。●‘§62ea‘，2el1’‘l，e221．s2●265-92335‘·'2l43．，2，2l32．，27，IO．，22，9，．12以计算的结果最接近实际值，但是这种方法建模过图6有限元法大位移计算方法分析结果程及分析过程都需要较强的专业知识，所需时间也最多。3结果分析[参考文献]通过以上几种方法的计算，得到了在不同方[1]哈尔滨建筑_T程学院主编：工程起重机，中国建筑法下清障车吊臂的端部挠度。由于清障车在实际工业出版社，1981年．作中，吊臂的实际变形是非线性的挠曲线，因此，[2]王金诺，于兰峰：起重运输机金属结构，中国铁道

7、将有限元大位移计算方法计算所得的计算结果作为版社，2002年．真值，评价其它几种计算方法。各种计算方法的计[3]博弈创作室：ANSYS9．0经典产品基础教程与实例详算结果及误差如表3所示。解，中国水利水电出版社，2009年8月．[4]曾攀，雷丽萍，方刚：基于ANSYS平台有限元分析表3相对有限元大位移法误差手册结构的建模与分析，机械工业出版社，20l1年1方法123456月．挠度／ram391．5350．6431．5368．3335．1399．0[5]聂毓琴，孟广伟：材料力学(第二版)，机械工业m误差／％1．9l2．O一8．17．7l6．