基于拓撲優化的大推力測量工裝設計及應用*

(中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所，北京 100024 )

某型號大型數控強力旋壓機，是針對我國航空航天領域急需的大型關鍵薄壁零件的旋壓成形加工設備，同時推動旋壓結構件在大飛機、大推力運載火箭和大型壓力容器上的應用而研制開發的重型設備。

該大型數控強力旋壓機總重量約600 t，三旋輪水平空間120°圓周均布，其中最大橫向推力可達1MN，為目前國內最大推力的旋壓類機床，屬于“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項課題資助研發的關鍵裝備。該設備的成功研制，使我國大型立式強力旋壓加工的技術研究及設備水平躋身于世界前列，具備該類型加工設備的自主創新設計能力和大型結構件的獨立加工制造能力，為技術應用與產品研發奠定了堅實的基礎，全面提升我國航空航天制造技術及高檔數控機床與基礎制造設備的創新能力以及我國的綜合經濟技術實力。

1 測量指標來源

大型數控強力旋壓機每個旋輪的橫向推力為1MN，屬于重大專項課題考核的重要技術指標之一。由于推力很大，為了便于檢測，同時保證檢測時的安全性、準確性、合理性以及可靠性，需要結合設備的整體結構(如圖1)以及主軸結構和橫向部件結構的實際情況，并根據檢測儀器的使用方式和外型尺寸等條件，設計一個實用的測量工裝，以順利完成大推力指標的測量工作，測量實施方案如圖2所示。

從圖1、圖2可以看出：3個旋輪分別對應F1、F2和F3這3個推力，推力是由液壓伺服油缸驅動而產生的，檢測能否達到1MN的推力，必須盡量避免直接將推力載荷施加在主軸上，通過設計專用的測量工裝，測量時，將推力載荷作用在測量工裝上，以防對機床的主軸軸承和工作臺產生傷害，從而影響主軸精度和機床的加工精度。

2 測量工裝的優化設計

2.1 設計概述

一般情況下，機械產品設計往往采用類比分析和試湊的方法，根據積累的設計經驗或者參考同類、相似的產品，通過估算、對比等過程，定義出新產品的基本結構，再進行改進和完善。這樣的設計過程周期較長、花費時間多，而且與設計者的經驗和水平有極大關系，同時存在一定程度的盲目性?；谝陨显?，借助優化設計的理念，在安全可靠的前提下，探索一種高效的設計方法和流程是至關重要的。

計算機輔助工程(CAE)及優化方法作為縮短機械產品開發周期的重要工具之一，在當前市場競爭激烈的現實條件下，被越來越多的企業廣泛使用，并實際應用于新產品的研發設計之中。綜合運用拓撲優化和尺寸優化技術，可以在較短的時間內完成滿足技術要求的產品設計，使新型產品在第一時間投入和占領市場，為企業贏得效益。

2.2 優化過程

針對該測量工裝的使用功能，結合測量的實際，經過分析，確定利用有限元分析軟件對工裝的結構進行優化設計，其主要流程如圖3所示。

根據圖3所示，首先以大型數控強力旋壓機三旋輪水平120°圓周均布的結構以及預定的測量方式，建立測量工裝的一個模糊的實體模型(如圖4)，其外形尺寸也是粗略估計的，可能與最終的結果相差較多。

然后按照測量時作用力的施加位置和形式，利用有限元分析軟件施加相應的約束與載荷條件，如圖5a所示，經過分析計算，拓撲優化出測量工裝的最初結構如圖5b所示，該結構只是測量工裝的雛形，對相應的尺寸沒有具體的要求。該過程只是根據測量工裝的工作方式確定設計的方向，選擇能完全覆蓋設計區間的簡單初始形狀進行無參數化的拓撲優化，為下一步設計工作提供最佳輪廓形狀和孔洞分布的概念模型。

之后，使用UG計算機輔助設計軟件，參考圖5b拓撲優化后的結構，創建出測量工裝的三維實體模型(如圖6)，該模型的各相關尺寸都是粗估的，有待進一步的參數優化和改進。

根據測量時的實際受力狀態，再次利用有限元分析軟件，在測量工裝上施加相應的約束和載荷，該載荷應大于機床工作時旋輪的最大徑向推力1 MN，以確保測量工作的可靠性，分析計算結果如圖7所示。

通過觀察和分析以上應力和變形計算結果的情況，分別根據不同的前提條件，對測量工裝進行反復的參數優化，以期得到最佳的結構和尺寸。各種不同條件的參數優化如圖8所示。

以上各種情況，從圖8a到圖8e的每一次分析計算，都是后者建立在前者的基礎之上，詳細分類情況描述見表1。

表1 不同條件下工裝優化計算一覽表

參數優化的過程就是根據尺寸優化結果，對初始參數化結構進行修改，產生優化結構零件，最終目的是得到合理、可靠的工裝結構和尺寸，同時在保證剛度和強度要求的基礎上節材減重，從而在吊裝安全的同時降低了工裝制造成本。

2.3 工裝確定

表1是不同條件下工裝優化計算的結果，通過分析，結合測量狀態下的應力和變形情況以及工裝的質量，最終確定圖8e狀態為最佳選擇。

確定后的工裝具有以下特點：(1)測量時所產生的應力大小在材料允許的安全范圍之內；(2)在最大的推力作用下，變形相對較??；(3)通過進行參數優化，工裝質量僅為最初的40%，節材顯著。

3 測量應用

確定工裝參數后，按照尺寸進行制造加工，并在檢測1 MN大推力測量中進行了實際應用，整個測量過程安全、可靠、穩定，最終測量結果得到了具有國家質量資質的檢測機構的認可，也與用戶的使用情況一致，說明滿足了該測量工裝最初設計的技術指標和使用要求，達到了預期目標。

4 結語

由以上測量工裝優化設計的實施過程，結合大推力載荷測量的實際應用，有以下幾點啟示供大家參考：

(1)對于尚無經驗借鑒的產品設計，如大推力作用的工裝、承受大載荷沖擊的零部件以及大型尺寸零件等的設計，為確保產品的成功率和安全系數，通過借助有限元分析軟件，進行拓撲優化計算，可避免設計時的盲目性，保證產品的強度和剛度，同時提高產品應用的可靠性和穩定性，也大大縮短了設計周期并減輕了研發人員的工作量，可謂一舉多得；

(2)拓撲優化能夠為結構的方案設計提供科學的依據，使復雜結構及部件在概念設計階段就可以靈活地、理性地優選方案；

(3) 拓撲優化和形狀優化的集成應用，在機械零部件的設計中具有重要的實用價值，優化的過程也可以激發設計人員的創新思維，使設計的產品更趨合理性，以滿足不同產品的開發需求；

(4) 結構形狀優化對降低應力集中、提高結構件的疲勞強度、延長使用壽命等非常有效，尤其是在大載荷作用下的較為極端的狀況，效果更佳顯著；

(5)通過優化設計，使好鋼用在刀刃上，節材降耗，可以極大地提高產品的性能。

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