基于拓撲優化方法裝載機執行機構的輕量化設計

許洪斌， 秦飛龍， 楊長輝， 刁富強， 康松林

（重慶理工大學a.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室；b.機械工程學院，重慶400054）

0 引言

裝載機是現代工程建設中應用非常廣泛的一種施工機械。裝載機集鏟、運、裝、卸等作業功能于一體，提高了工程建設的效率和質量，降低了工作勞動強度，減少了資源浪費，在工程建設中發揮了重要作用［1］。裝載機執行機構是裝載機必不可少的重要組成部分，其性能直接影響整機工作性能和工作效率，并在很大程度上決定了裝載機的市場競爭力［2］。

由于執行機構的重要性，同時考慮整機的特性和經濟性，對執行機構進行輕量化研究尤為重要［3］。本文以裝載機執行機構千秋架為研究對象，采用拓撲優化方法對千秋架進行優化。

圖1 執行機構三維模型

1 裝載機動態仿真

1.1 執行機構建模

裝載機的執行機構主要由鏟斗（GH）、動臂（DG）、千秋架（EF）、連桿（CE）、底座（AB）、舉升液壓缸（AD）、轉斗液壓缸（EH）共7個部分組成。各構件之間采用鉸鏈連接，在SolidWorks中建立執行機構三維模型如圖1所示。

1.2 建立執行機構虛擬樣機

將執行機構三維模型導入ADAMS中，建立執行機構的虛擬樣機。其中，執行機構材料主要是Q235鋼，其彈性模量為2.07×105MPa，泊松比為0.29，密度為7.801×10-6kg/mm3。

1.3 工況選擇及外載荷計算

裝載機是一種自行式工程機械，其作業過程包括鏟、裝、運、卸等。其工作循環由前進、鏟裝、后退、轉向、前進、卸料等動作組成。執行機構的作業過程通常由下5種典型工況組成［4］：地面插入工況；聯合工況；鏟取工況；上限舉升工況;上限卸料工況。

為了便于分析，將外載荷R定義為加載在鏟斗中間斗齒齒尖上的集中力。由于合力方向隨時變化，為計算方便，將外載荷R分解為沿插入阻力方向RX和豎直向上方向RY。

經計算，各工況下最大外載荷如表1。

表1 各工況下外載荷

表2 液壓缸和外載荷驅動函數

1.4 動力學仿真

仿真時，通過舉升液壓缸和轉斗液壓缸的伸縮完成鏟斗的鏟掘及裝載過程。液壓缸和外載荷的驅動函數如表2所示。

通過ADAMS進行仿真，得到千秋架F鉸接處的受載情況。千秋架只受Y方向的載荷，F鉸接處各工況受載如圖2所示。

圖2 千秋架Y方向受載

2 千秋架模態分析

應用Lanczos法對千秋架進行模態分析，提取前6階約束模態。千秋架前6階振型圖如圖3所示，千秋架前6階固有頻率及振型如表3所示。

3 千秋架靜強度分析

通過對裝載機整個挖掘過程研究可知，在聯合工況下為最惡劣工況。由于速度很低，因此對千秋架采用靜力學分析。

圖3 千秋架前6階振型圖

表3 千秋架前6階固有頻率及振型

通過仿真模擬，得到F鉸接處的合力，由于千秋架為對稱布置，故每個千秋架實際所受力為合力的一半。千秋架F鉸接處承受載荷如表4所示。

將各軸孔所受徑向載荷以余弦函數方式加載到千秋架F孔處，千秋架最惡劣工況—聯合工況下應力-位移云圖如圖4所示。

表4F鉸接處沿Y方向受載N

圖4 千秋架應力-位移云圖

表5 千秋架強度分析結果

由圖4可知，最大應力出現在大小圓環凸臺之間靠近凸臺根部處，最大應力為20.03 MPa，小于材料強度極限235MPa，滿足強度要求。各工況強度分析結果如表5所示。

4 裝載機千秋架的拓撲優化

4.1 拓撲優化方法

拓撲優化是指結構能夠在滿足一切有關平衡、應力和位移等約束條件的情形下，某種性能指標達到最優的合理化布局［5］。目前，最常用的連續體拓撲優化方法有均勻化方法、變厚度法、變密度法、漸進結構優化方法（ESO）、水平集法（Level set）、獨立連續映射方法（ICM）等［6-8］。

4.2 千秋架拓撲優化模型

千秋架參數化建模后，采用直接優化方法，以根據應力云圖修改后的幾何模型尺寸為設計變量，以最大應力20.03 MPa、最大位移0.152 mm為約束，以質量最小為目標，對千秋架進行優化。

根據直接優化結果，對優化后尺寸進行圓整。千秋架結構主要從以下幾處進行修改：背板厚度由16 mm減小到10 mm；背板寬度由70 mm減小到60 mm；大小圓環凸臺外徑均由50 mm減小到45 mm；大小圓環凸臺高度均減少4 mm；在大小凸臺間加高度為4 mm的肋板。

4.3 優化結果檢驗

通過對千秋架進行強度分析和模態分析，檢驗其優化后的模型是否滿足要求。

優化后最惡劣工況——聯合工況下，應力-位移云圖如圖5所示。

圖5 千秋架優化后應力-位移云圖

表6 優化前后應力對比

優化前后千秋架性能分析結果如表6～表9所示。

由表6～表9可知，千秋架優化前后各工況下，應力均有所減小，平均減少率約為18%，且最大應力由20.03 MPa減小到16.38MPa，小于強度極限235 MPa，滿足強度要求；最大位移均有所減小，平均減少率約為19%，整體剛度有所提升，滿足剛度要求；優化后頻率亦有所降低，但變化較小，整體基本保持不變；優化前后質量由2.894 7 kg減少到1.712 3 kg，減少了40.85%。由上述分析可知，千秋架整體強度得到很好的改善，優化后千秋架滿足設計要求。

表7 優化前后最大位移對比

表8 優化前后模態分析對比

表9 優化前后質量對比

5 結論

通過對裝載機千秋架的優化分析，初步得出結論，可以通過拓撲優化方法對其進行輕量化分析，且優化效果明顯。采用此方法和思路，裝載機執行機構整體質量由206.6 kg減少到140.7 kg，減少了31.9%，實現了輕量化的目的。

［1］ 何鵬飛.裝載機工作裝置的結構類型綜合與優化［D］.大連：大連理工大學，2013：1-5.

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［4］ 王曉寧.裝載機工作裝置動臂框架工作狀態的力學分析［D］.濟南：山東大學，2008：8-32.

［5］ 穆春燕.拓撲優化理論及其在拱壩優化設計中的應用［D］.長沙：長沙理工大學，2004：24-49.

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