基于Hyper wor ks 的底盤(pán)剛度優(yōu)化分析

裴娟苗，許富青

（湖南三一快而居住宅工業(yè)有限公司研究院，長(zhǎng)沙410011）

1 優(yōu)化計(jì)算

1.1 尺寸優(yōu)化

如圖1 所示，某款成熟底盤(pán)主要由支腿側(cè)板、前加強(qiáng)板、長(zhǎng)封板、加強(qiáng)圓鋼、外折彎槽鋼和支腿頂板組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 某款成熟底盤(pán)結(jié)構(gòu)

為了采用Hyperworks 對(duì)此底盤(pán)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，將各板厚均由設(shè)計(jì)變量代替，即設(shè)支腿側(cè)板為DV1，前加強(qiáng)板為DV2，長(zhǎng)封板為DV3，加強(qiáng)圓鋼為DV4，外折彎槽鋼為DV5，支腿頂板為DV6。將板厚定義為設(shè)計(jì)變量，將底盤(pán)剛度不低于原結(jié)構(gòu)定義為約束條件，將總質(zhì)量最小定義為優(yōu)化目標(biāo)[1～3]。以75°～135° 5 個(gè)姿態(tài)為計(jì)算工況，采用尺寸優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如表1 中優(yōu)化值1 列所示。

表1 尺寸優(yōu)化計(jì)算結(jié)果mm

由表1 數(shù)據(jù)可知，支腿板厚對(duì)此底盤(pán)的剛度影響有限，在尺寸優(yōu)化中已由15mm 減小到5mm，支腿質(zhì)量相比于原結(jié)構(gòu)下降了60%。大梁外折彎槽鋼與長(zhǎng)封板厚度基本沒(méi)變，但加強(qiáng)圓鋼的尺寸被大幅度增加。此計(jì)算結(jié)果也說(shuō)明加強(qiáng)圓鋼處的扭轉(zhuǎn)剛度還需要繼續(xù)加強(qiáng)。

為了驗(yàn)證經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化后的底盤(pán)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)，本文對(duì)尺寸優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析。分析結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化后的底盤(pán)結(jié)構(gòu)，大片應(yīng)力均在400MPa 以下（底盤(pán)材料為SG1000），說(shuō)明支腿的厚度優(yōu)化減薄后，并不影響該底盤(pán)的總體強(qiáng)度。圖2 為尺寸優(yōu)化后的底盤(pán)在135°工況時(shí)的受力分析云圖。

圖2 尺寸優(yōu)化后的底盤(pán)受力分析云圖

將約束條件定義為底盤(pán)剛度提升2 倍，利用與上面相同的優(yōu)化方法，對(duì)板厚進(jìn)行優(yōu)化，所得結(jié)果如表1 中優(yōu)化值2 列所示。

由表可見(jiàn)，當(dāng)?shù)妆P(pán)扭轉(zhuǎn)剛度提升2 倍時(shí)，支腿板厚依然被減薄至5mm，但大梁的折彎槽鋼與長(zhǎng)封板厚度基本也提升了2 倍。顯然這種優(yōu)化方案并不經(jīng)濟(jì)，在增加剛度的情況下，底盤(pán)的質(zhì)量也成倍增加。由此可知，如果在不改變底盤(pán)主體結(jié)構(gòu)的前提下，直接通過(guò)板厚的改變提升底盤(pán)的扭轉(zhuǎn)剛度并不可行。所以，本文后續(xù)在對(duì)此底盤(pán)進(jìn)行尺寸優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用拓?fù)鋬?yōu)化[4，5]的辦法繼續(xù)尋求結(jié)構(gòu)優(yōu)化途徑。

1.2 拓?fù)鋬?yōu)化

由尺寸優(yōu)化的結(jié)果可知，減薄支腿板材厚度時(shí)，加強(qiáng)圓鋼的尺寸得到了大幅度的增加。此計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，要提升底盤(pán)的扭轉(zhuǎn)剛度，提高加強(qiáng)圓鋼處的結(jié)構(gòu)靈敏度比增加支腿的板材厚度可行。為了更有效地提升底盤(pán)剛度，本文對(duì)影響底盤(pán)剛度靈敏度的較高結(jié)構(gòu)處進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，尋求在75°～135°工況下的最優(yōu)傳力路徑。

如圖3 所示，在底盤(pán)剛度薄弱處，增加網(wǎng)格，將大梁連接為一個(gè)整體。將增加的單元作為優(yōu)化對(duì)象，將底盤(pán)的剛度提升2 倍作為約束條件，將底盤(pán)總質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)。

在75°～135°工況下，運(yùn)行計(jì)算可得最優(yōu)傳力路徑如圖4 所示。

圖3 增加網(wǎng)格后的單元

圖4 最優(yōu)傳力路徑

沿此路徑對(duì)底盤(pán)加強(qiáng)后，底盤(pán)整體剛度如表2 所示。由表2 可知，在原結(jié)構(gòu)上采用拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算后，實(shí)際的扭轉(zhuǎn)剛度提升了2 倍以上。

表2 底盤(pán)整體剛度mm

依據(jù)尺寸優(yōu)化方案，修改實(shí)體設(shè)計(jì)后，支腿梁減重210kg。由拓?fù)鋬?yōu)化所得傳力路徑增加斜筋后，實(shí)際質(zhì)量增加了250kg。結(jié)合尺寸優(yōu)化與拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方案，估算底盤(pán)增加的總質(zhì)量為50kg（考慮全工況計(jì)算，實(shí)際增加質(zhì)量為100kg）。即結(jié)合尺寸優(yōu)化與拓?fù)鋬?yōu)化的計(jì)算結(jié)果，在底盤(pán)質(zhì)量增加100kg 的前提下，該底盤(pán)的扭轉(zhuǎn)剛度能提升2 倍以上。

2 結(jié)論

利用有限元分析手段，對(duì)目前上市銷售的某款工程機(jī)械底盤(pán)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算的詳細(xì)分析，嘗試尋求提升剛度的最優(yōu)方案。通過(guò)本文優(yōu)化計(jì)算后可得如下結(jié)論：

1）該底盤(pán)受力狀態(tài)良好，且支腿板材厚度可以由15mm更改為5mm。

2）該底盤(pán)扭轉(zhuǎn)剛度薄弱處為“加強(qiáng)圓鋼處”，沿本文的優(yōu)化路徑進(jìn)行加強(qiáng)后，該底盤(pán)的扭轉(zhuǎn)剛度能提升2 倍以上。

3）本文的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路以及計(jì)算方法對(duì)以后的新品開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的借鑒意義。