基于Workbench的滑輪固定板優化設計

張曉強，劉慧芬，焦桔萍，俞 飛，王武魁，祝利濤

(山西航天清華裝備有限責任公司 技術中心，山西 長治 046000)

0 引言

某救援裝備戰場情況下搶救任務重，時限要求嚴酷，必須配備使用方便快捷的專業設備作為遂行任務的關鍵支撐。作為某救援裝備的關鍵附件,滑輪及其主要零件承載著起重運輸救援過程中的全部載荷，其強度和質量對某特定保障對象拖拽救援過程中的可靠性和工作效率具有重要的影響。

滑輪固定板作為滑輪的主要承載件，其重量大，較滑輪整體占較大的比重，實際使用時對后勤保障人員的體能提出了較高的要求。

因此，有必要在滿足使用要求的前提下對滑輪固定板進行優化設計，降低重量，以減小后勤保障人員作業強度。

1 建立滑輪固定板的三維模型

滑輪由固定板、側板、滑輪體、上銷軸、下銷軸等組成。利用仿真軟件Workbench中自帶的DesignModeler(DM)幾何建模平臺完成研究對象的三維建模，如圖1所示。

1-滑輪體；2-上銷軸；3-側板；4-固定板；5-下銷軸

2 有限元仿真

2.1 建立有限元模型

通過對滑輪三維裝配體模型特征進行預處理、賦予材料屬性、設置接觸類型、合理劃分網格、添加約束、施加載荷等進行有限元分析。特征預處理的目的是刪除對結果影響微小的特征，簡化計算過程。

滑輪固定板材料為HG785D高強度鋼板，抗拉強度σb=785 MPa，屈服強度σs=685 MPa。對于σs/σb≥0.7的鋼材，基本許用應力[1]按式(1)計算：

(1)

其中：[σ]為鋼材的基本許用應力；n為強度安全系數。

考慮滑輪使用頻率及救援作業時的工作效率，取強度安全系數n=1.22，則HG785D高強度鋼板的基本許用應力[σ]=506 MPa。

模型采用自動劃網格分法，得到4 932個節點，101 738個單元，滑輪模型的網格劃分結果如圖2所示。

忽略鋼絲繩在繩槽內偏移的影響及其卷繞阻力，不計在繩槽接觸面產生的滾動摩擦力[2]，對滑輪添加約束和施加載荷后求解計算。

圖2 滑輪模型網格劃分

2.2 有限元分析

滑輪固定板等效應力云圖如圖3所示，最大應力為437 MPa?；喒潭ò蹇傋冃卧茍D如圖4所示，最大變形為0.22 mm，滿足使用要求。

3 拓撲優化

在Shape Optimization中將重量減少50%設置為優化目標，對滑輪固定板進行拓撲優化，固定板外側優化結果如圖5所示，固定板內側優化結果如圖6所示。

根據拓撲優化結果對滑輪固定板進行修改，無需完全參考優化結果，改進后的固定板模型如圖7所示。對修改后的模型添加同樣的約束和施加同樣的載荷，再次進行求解計算。拓撲優化后固定板應力云圖如圖8所示，最大應力為372 MPa。拓撲優化后固定板總變形云圖如圖9所示，最大變形為0.33 mm，綜合分析，滿足使用要求。

圖3 固定板等效應力云圖 圖4 固定板總變形云圖

圖5固定板外側優化結果 圖6固定板內側優化結果

4 多目標優化求解

通過目標驅動進行優化設計時，需提前定義輸入參數和目標參數，輸入參數如圖10所示。

(1) 定義滑輪固定板的輸入參數為R1、R2及L。根據固定板結構尺寸限制，給定尺寸變化區間：62.5 mm≤R1≤72.5 mm，62.5 mm≤R2≤72.5 mm，40 mm≤L≤65 mm。

圖7改進后固定板模型圖8拓撲優化后固定板
等效應力云圖

圖9 拓撲優化后固定板總變形云圖

(2) 定義滑輪固定板的目標參數為最小質量、最

大應力和最大變形。為保證滑輪使用可靠，設計時應留有一定的安全裕度，求解目標為最大應力小于506 MPa、最大變形小于0.5 mm時固定板最小質量。

(3) 參數優化完成后，根據最優解完成固定板三維模型更新、添加邊界約束和施加載荷并進行求解。參數優化后固定板應力云圖如圖11所示，最大應力為418 MPa。參數優化后固定板總變形云圖如圖12所示，最大變形為0.41 mm。綜合分析，滿足使用要求?；喒潭ò鍍灮?、優化后參數對比見表1。

圖10 固定板輸入參數示意圖

圖11 參數優化后固定板 圖12 參數優化后固定板等效應力云圖 總變形云圖

5 結論

(1) 通過使用Workbench軟件的DM模塊建立滑輪固定板三維模型，對其進行受力仿真分析和拓撲優化，并進行了多目標驅動優化，使滑輪固定板質量減小了46%。

(2) 滑輪側板也可用同樣的方式進行優化?；喺w質重量降低，明顯減小了后勤保障人員救援作業的強度。