基于拓撲優化的壓機下梁結構設計與分析

施躍文

（福建海源自動化機械股份有限公司，福建 福州 350101）

基于拓撲優化的壓機下梁結構設計與分析

施躍文

（福建海源自動化機械股份有限公司，福建 福州 350101）

基于拓撲優化的產品結構優化設計已經成為產品概念設計的有效工具。為實現某型壓機的輕量化設計，以下梁零件為例，在滿足裝配、制造工裝等約束前提下，利用結構拓撲優化方法獲得最優的材料分布結構形式，由此提出新的下梁結構設計方案。利用有限元分析方法驗證新設計的有效性。在保持原結構剛度性能前提下，將零件的體積減小了16.5%，達到了預定的目標要求。所采用的技術方案便于工程實施，為壓機機架的主要零件結構設計提供了有效的參考和指導。

結構拓撲優化；有限元；液壓機機架

0 引 言

合理設計液壓機機架有利于減輕整備重量、提高成型精度、減少制造和運輸成本等，也有助于提高資源利用率，減少碳排放。對陶瓷磚、耐火磚等粉末成型壓機而言，機架剛度如果較低，主油缸內的高壓油就需要頻繁地補償機架變形，不僅消耗大量能量，也影響到制品的成型精度及工作效率。反之，如果機架剛度儲備過大，則導致主機重量偏大，造價和安裝費用增加。以海源某型耐火磚壓機為例，其整機性能已經達到國外同類競爭產品的技術水平，但是整機重量比國外競爭產品重了不少。這其中固然有原材料性能及工藝差異的原因，但是設計水平也是一個不容忽視的因素。有限元和優化設計等現代設計方法的發展，為發展和設計具備高剛性、高幾何精度及承載穩定性、良好抗疲勞性且重量輕的機架提供了重要保證。

現有的機架優化設計大都以零部件的尺寸參數優化為主[1-3]，無法真正意義上獲得最優的結構。這是因為參數化優化方法的實施是建立在已有產品結構或依賴于設計者經驗形成的產品結構基礎上進行的，這種對已有產品結構的依賴性，必然使得后繼優化存在著一定的偏差和限制，無法擺脫已有產品結構所具有的缺陷，無法真正地優化出性能優良的產品[4]。因此，機械產品優化設計的最有效方法是首先進行結構拓撲優化，然后再進行形優化和尺寸參數優化，共同完成結構優化設計中存在的各種設計目標[5]。產品結構的設計過程也發展成為更先進的，基于拓撲優化的產品整體結構及零部件的優化設計過程。下面以海源某型耐火磚壓機的下梁零件為例，探討這一設計思想的實現過程以及存在的相關問題。

1 原設計結構分析

原設計零件(見圖1)與國外某競爭產品相比，重量大了約20%。經有限元分析，可知結構中大部分區域的應力在7-20 MPa之間，強度裕度相對很大。而從變形結果來看，最大變形量為0.24 mm發生在臺面中心位置。以立柱間距2米計算，下梁剛度為0.12 mm/m，基本滿足設計要求，但強度裕度較小。因此結構輕量化時，主要是受到零件剛度性能的制約。需要在不降低現設計剛度性能前提下，重點針對壁厚以及臺面下方加強筋結構進行優化。而結構拓撲優化可以獲得材料在設計空間上的結構剛度最佳分布形式。

結構拓撲優化無需對產品結構進行參數化建模，可以根據實際工程應用中的制造和工藝約束問題等因素，確定結構優化區域。考慮到現有的設計方案已經過多年的實際應用檢驗，在剛度性能以及機架的抗偏載能力等方面具有參考價值。由此確定壓機的立柱、柱間距、最大凈開度和最大行程等參數不做變更。指定下梁的工作臺面區域、立柱穿入下梁的聯接區域、與地腳螺栓聯接安裝處附近為非優化區域。這樣，優化后的下梁可以直接替代應用于現有設計方案中，更具有實施可行性。

圖1 原下梁結構的Mises應力及變形示意圖Fig.1 Von Mises Stresses & Deformation of the original hydraulic press frame

圖2 下梁拓撲優化結果(體積百分比為27.9%)(取自文獻[6])Fig.2 Topological optimization results of the hydraulic press frame (27.9 vol%)

2 結構的拓撲分析

在優化模型中，將結構總應變能設置為目標函數，并取最小值。應變能最小等效于零部件的剛度最大。模型的體積分數比是另一個目標函數，同時，將零件的體積比響應做為優化的約束條件，以初始設計空間體積的25%做為極限值。這一限制相當于將原設計的下梁減重約35%[6]。終止迭代循環次數為25次。最終的結構如圖2所示。

在拓撲優化過程中，底座臺面四周處于立柱孔中間的材料首先被優化掉。其次是底座下部中間區域的材料。結構拓撲優化結果顯示，最優的傳力路徑是載荷從臺面的模具接觸面開始，沿著四個斜向向下的方向，傳遞給底座的地腳螺栓安裝處。由此可得到的設計提示是：(1)材料的最優布置形式與載荷傳遞路徑相關，下梁零件支撐結構可以設置成四個斜向下的筋板結構，而且，如果工藝允許，可設計成曲面筋板支撐；(2)現設計臺面板的厚度太大；(3)盡量增大支撐筋板與臺面連接的過渡圓弧半徑；(4)地腳螺栓的位置對零件結構有直接的影響。

圖3 改進方案的底座結構示意圖Fig.3 The improved structure of the hydraulic press frame

3 新的結構設計和分析

根據拓撲優化給出的設計提示，重新設計下梁結構。如前所述，對下梁與立柱的聯接部分以及地腳螺栓安裝面等處的結構不予以改變。主要改變工作臺面厚度并將下部支撐結構改為四塊斜筋板連接，形成一塊“X”形的結構。支撐筋板的傾斜方向也盡量靠近臺面中心；此外，減小底座左右兩側板的間距及厚度。得到改進后的底座設計方案如圖3所示。

因為剛度性能是影響結構輕量化設計的主要因素。在此僅給出下梁的變形情況，如圖4所示。下梁的最大變形量為0.32 mm，其剛度為0.16 mm/m，比原設計略有下降，仍能基本滿足設計標準。需要指出的是，計算時沒有考慮地基接觸面的約束，因此，比實際工況要保守，也就是說壓機安裝到位后，下梁剛度的實測值要小于計算值，完全符合設計標準。

將新舊下梁的比較結果列于表1中。表中同時給出了軟件計算的改進前后下梁和的體積大小及其變化情況。表明下梁的體積減小了16.5%，基本與競品處于相同水平，減重效果顯著。

圖4 改進后下梁的變形Fig.4 The deformation of the improve hydraulic press frame

表1 下梁優化前后的結果對比Tab.1 The comparison of the hydraulic press frames before and after the optimizatio

4 結 論

結構拓撲優化方法無需對產品結構進行參數化建模，已經成為產品結構概念設計的有效工具。根據零件的結構拓撲優化結果，能夠獲得最佳載荷傳遞路線的結構形式。但是優化后所獲得的結構拓撲形式與載荷的作用位置及方式、以及約束布置位置等密切相關。根據下梁的拓撲優化結果，對其結構進行了重新設計。有限元分析表明，新設計方案能夠在不大幅降低結構剛度性能前提下，將零件的體積減小了16.5%，達到了預定的目標要求。新下梁的剛度性能滿足設計標準。后繼工作將進行相關的力學性能測試，并結合形優化和尺寸優化技術，進一步完善設計。相關的技術方案可以推廣應用于其它類型壓機的機架設計上。

參考文獻：

[1] 吳鵬. 板系結構拓撲優化及其在液壓機底座設計中的應用研究[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2008.

[2] 劉廣君. 液壓鐓鍛機的本體結構分析與優化[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2006 .

[3] 孫圣權. 基于ESO的液壓機下橫梁結構拓撲優化及雙向進化結構優化方法研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2008.

[4] 劉占穩. 100MN等溫鍛造液壓機有限元結構分析與優化[D].天津: 天津大學, 2008.

[5] 李艷聰. 計及壓制件成形精度的液壓機主機結構設計方法研究[D]. 天津: 天津大學, 2011.

[6] 林謝昭. 液壓機機架力學特性分析及輕量化設計[R]. 福州: 福州大學博士后工作報告, 2014.

Structure Design and Analysis of Improved Hydraulic Press Frame Based on Topological Optimization

SHI Yuewen
(Fujian Haiyuan Automatic Equipment Co., Ltd., Fuzhou 350101, Fujian, China)

The optimal design based on the topology optimization has become an effective tool at the stage of product conceptual design. To reduce the weight of hydraulic press frame, a topology optimization method was used to obtain the optimal load transfer topology structure for the hydraulic press support, where the structure should also meet the assembling and manufacturing requirements. The topological result was used as a design guide for the new part reconstruction. The finite element analysis results of the new part show that the scheme fully met the requirements of stiffness and the weight of the part was reduced by 16.5%. The technical solution adopted in this paper can facilitate the implementation of the engineering project, and provide as a reference for the optimal design of similar products.

topology optimization; finite element; hydraulic press frame

TQ174.6+11

A

1006-2874(2016)06-0034-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.06.007

2016-07-10。

2016-07-12。

施躍文，男，工程師。

Received date:2016-07-10. Revised date: 2016-07-12.

Correspondent author:SHI Yuewen, male, Engineer.

E-mail:shiyuewen@sina.com