基于HyperWorks的智能移動升降平臺車的優化設計

史久偉 鄒偉平 鄒偉東 朱曉清 宋瑞宏

摘要：大型升降平臺車承載重量大，連續使用載荷附加車身上，即主要集中在車架，所以車架故障率高，本文運用集約化設計理論，完成結構單一的大承載車架的優化設計，用CROE軟件建立了車架的動力學模型，利用CROE自帶的有限元分析模塊對車架進行有限元分析，模擬車架的實際工作環境，模態分析得出車架最惡劣工作環境，提取車架惡劣工況下的仿真參數作為hyperworks結構優化的主參數，對車架的二次設計，并在車架剛度滿足惡劣工況前提下車架設計區域減重30%，完成車架輕量化設計。

關鍵詞：智能移動升降平臺車;hyperworks;結構優化;輕量化設計

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0146-02

隨著我國經濟的蓬勃發展，制造業作為國家的支柱行業也在飛速發展，其中升降平臺機在工程建設、碼頭搬運和機械行業中成為必不可少的工具。車架所需承受的載荷大部分是升降平臺往復升降動作。升降過程中的振源很多，在車輛行駛過程中還需面對橫移和載荷沖撞帶來的振動，所以模態分析中，工程機械面對的惡劣工況，除實際行駛中突發工況下導致的振動外，還要考慮外部負載的激振對車架的影響。為改善設備運載隔振，除了模態分析外進行結構優化設計是可行的，為改善設計環境有限元分析加上基于hyperworks的數值分析法是改善工程機械的合理化手段。

1 優化方法

1.1 車架的動力學模型

車架優化設計以是大量的優化理論和方法為基礎，構建基于數值法的動力學模型，以參數化設計搭建優化設計模塊，在進行無限次迭代后，使模塊滿足最惡劣工況下的設計標準。需要得到所期望的最大或最小值迭代函數，最后極限值進行二次優化設計， 根據所需的功能，確定最佳的技術解決方案。

車架優化設計的動力學模型表示

minR（Y）=R（Y1，Y2，…，Yn） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

hi（Y）=hi（Y1，Y2，…，Yn），（i=1，2，M） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

Y=（Y1，Y2，…，Yn）T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

Y指車架不同工況下模態分析后得的設計變量;hi（Y）為車架不同工況下的狀態變量;R（Y）指設計車架變量的目標函數。車架設計變量的函數，它通常用于常態環境下數值的設計，其上限和下限是根據通常意義上車架行駛和工作中的極限值設定。為了滿足輕量化設計要求，車架變量的目標函數盡可能小，功能必須設計為設計變量。對于每一種工況下的上限和下限，應該在每一個工況下的最小值和最大值的基礎上的外加外部激勵作條件，可以通過調整參數化設計后的模塊，通過實驗驗證，達到最優的結果。

1.2 優化設計的方法

OptiStruct是hyperworks里面的多款結構優化設計模塊里的一種，車架的優化設計，根據最惡劣工況情況來判斷，我們需要了解其惡劣工況下，車架的變形，及應變大小，模型的形貌變化，位移云圖，和升降平臺的拓撲關系，這些在改模塊下能得到最優解決方案。由于車輛外部激勵過多，車架在工作是面臨多變效應，我們需要利用OptiStruct模塊里均化法和密度法來確定車架工作時的材料屬性，這樣才能最真實模擬出實況下的車架狀態。根據右手笛卡爾坐標可以判斷出有限元模型中，每一個拓撲結構都有六個設計變量，三個維度，拓撲關系決定材料的模型要用一種等效的復合材料模型代替，這就是均化法。在發生應變是，材料變形會有同向性和應變集中的現象，理想狀態是不引入微結構，為了簡化計算，我們把有限元模型的拓撲優化定義為默認，這樣就可以在利用OptiStruct模塊無限次迭代時限定車架仿真時實體單元、殼單元的模型。

參數化設計是搭建工程機械模塊設計，以大數據設計在背景的必然選項，hyperworks提供了基于參數化設計并實現多約束的優化工具，為解決實際工作中的多變效應提供了設計依據。車架工作的隨機性決定了我們在仿真時要完成隨機仿真，CROE的有限元分析模塊，處理速度快，建立的仿真模型可以省去另導入Ansys軟件在建約束的環節，減少了出錯概率，hyperworks設計結果參數的導入即可完成隨機仿真。

2 智能移動升降平臺車車架優化的結果

根據模態分析和車架維修的情況推斷，車架最惡劣工況是車架在上坡時，急轉，并承受左右偏載，外加最大承重載荷帶慣性沖撞引起振動。當爬坡度大于35度時，在最惡劣工況下回給車架和升降平臺的鏈接處會出現較大的位移約束，使車架出現扭彎混合變形，并且出現承受載荷極度不均勻。根據車架的靜力學研究和hyperworks仿真記錄結果，最惡劣工況下最大應力值達到175MPa，是模態分析十階結果參數導入hyperworks后，得到的最大應力值。OptiStruct模塊無限次迭代后，進行的優化設計結果如圖1，圖1中可以看到車架的最優化結果的有限元靜力學模型，應力主要集中在車架的后半部，藍色區域基本全部集中在車架與車身連接的法蘭處。這里柔度迭代曲線起伏較說明惡劣工況車架自身受力極度不均勻有關。

3 結語

用hyperworks軟件對最惡劣工況下車架結構進行結構優化，在利用其OptiStruct模塊得出了智能移動升降平臺車架最優化布局等值面圖，顯示出車架在最惡劣工況下的變形為扭彎混合變形，為二次優化改進設計提供了基礎。應力主要集中在車架的后半部，藍色區域基本全部集中在車架與車身連接的法蘭處。由此指明我們二次優化設計的方向，在藍色部分我們可以削弱材料的使用量，在車架應力集中部分可以利用補加加強筋的設計來滿足設計需求。通過二次設計，按照最優布局，可以將車架設計的重量降低至少30%。

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Abstract：Large-scale lifting platform trucks have large bearing weights and continuous use of loads on the vehicle body， that is， they are mainly concentrated in the frame， so the frame failure rate is high. This paper uses the intensive design theory to complete the optimization design of the single-frame large-capacity frame. The CROE software is used to establish the dynamic model of the frame. The finite element analysis module of CORE is used to carry out finite element analysis on the frame to simulate the actual working environment of the frame. The modal analysis results in the worst working environment of the frame. The simulation parameters under the harsh working condition of the frame are the main parameters of the hyperworks structure optimization， and the secondary design of the frame， and the frame design area is reduced by 30% under the premise that the frame rigidity satisfies the severe working condition， and the frame weight reduction is completed. design.

Key words：intelligent mobile platform truck; hyperworks; structural optimization; lightweight design