快鍛壓機上橫梁拓撲優化設計

王 暾，李 晶，曹建鋒，贠麗晨，方 婧

（蘭州蘭石集團有限公司能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730000）

現代機械產品正在向綠色化、輕量化、智能化方向發展，因此近年來輕量化、綠色化設計得到了廣泛關注，逐漸成為一個熱門課題。

大型快鍛壓機是汽車、航天、能源裝備等行業中常用的鍛壓設備，上橫梁作為快鍛壓機的關鍵部件，在拉、壓復合作用下發生失效的概率較大，因此上橫梁的設計成為研發人員關注的問題之一。傳統優化設計是應用有限元分析技術得到關鍵零部件的薄弱環節，在保證壓機使用性能及技術要求的前提下，對結構進行優化設計，這種方法周期較長，常常會出現結構整體強度分布不均，總體質量較大的問題。而利用拓撲優化技術可對結構進行布局優化，能夠獲得較合理的初始結構方案，設計滿足其強度和剛度要求的結構尺寸及形狀[1-3]。并且拓撲優化技術方法不僅能加快產品設計周期，還可以節省材料達到輕量化的目的，進而減少開發費用和制造成本，對于改善產品結構有很大的現實意義[4-6]。

1 上橫梁結構分析

大型鍛造液壓機上橫梁作為快鍛壓機中重量較大的零部件，其剛度和強度要求較高，其結構的合理性對快鍛壓機的制造和使用至關重要。快鍛壓機運行中，上橫梁與主缸相連來傳遞作用力，上端面通過超級螺母與拉桿連接，下端面與立柱相連，因此上橫梁應有一定的承壓能力，同時還應具有一定的抗彎能力，上橫梁結構如圖1 所示。

圖1 上橫梁結構

2 上橫梁靜力學分析

上橫梁為鑄造件，運行中載荷主要受油缸壓力及拉桿的預緊力作用。利用有限元分析軟件對其進行靜力學仿真計算，來校核上橫梁的結構是否符合設計要求。如圖2 所示為上橫梁有限元分析模型，表1 為有限元模型參數。

表1 有限元模型參數

圖2 上橫梁有限元分析模型

上橫梁材料為ZG25Mn，其屬性如表2 所示。

表2 ZG25Mn 材料屬性

對上橫梁模型進行有限元分析，可以得到其應力和變形結果，如圖3、圖4 所示。

圖3 上橫梁等效應力云圖

圖4 上橫梁位移云圖

根據圖3 上橫梁等效應力云圖可知，上橫梁的最大等效應力為99MPa，出現在上橫梁與油缸接觸位置，在上橫梁設計關注區域整體應力較小。根據圖4 上橫梁位移云圖可得知，上橫梁最大位移為0.81mm，在安全設計范圍之內。由此可知上橫梁結構設計合理，在強度、剛度上有冗余，可對其進行優化設計。

3 上橫梁拓撲優化的有限元模型

拓撲優化技術就是在給定的空間里尋找最佳的材料分布，使得零部件結構趨向最優化，在保證性能要求的前提下，降低質量，節約成本[7-8]。

綜合考慮上橫梁的裝配、制造約束以及載荷承受能力，確定結構中的非設計區和設計區，缸體安裝區域為非設計區，其余部分為設計區。在上橫梁拉桿預緊螺母處施加預緊力，在與主缸及側缸連接的法蘭面上施加壓力,如圖5 為上橫梁邊界條件及載荷加載情況。優化設置中，以最小柔度為優化目標，以應力、位移以及體積比為約束，初始設計空間的30%為極限值，建立模型。

圖5 上橫梁邊界條件及載荷加載

3.1 優化結果與分析

經迭代計算可得如圖6 所示結果，由圖可知：

（1）上橫梁中間位置和兩側下部位置材料首先被優化掉,在優化迭代終止后，上橫梁的體積變為原來體積的29.7%；

（2）上橫梁傳力路徑如圖6d 所示；

圖6 上橫梁拓撲優化過程

（3）設計空間的材料大幅減少，所保留的材料即可滿足上橫梁的剛度要求；

（4）拓撲優化結果為不規則結構，還需根據裝配和制造工藝進行重新設計。

4 改進機構設計

4.1 方案設計

根據拓撲優化結果，綜合考慮上橫梁的外觀以及鑄造工藝，應用Solidworks 進行模型再造。將上橫梁上下面板的厚度設計為平滑過渡結構，如圖7a 所示，將兩側位置設計為“鼓形”如圖7b 所示，并將中間豎筋結構進行優化。

圖7 優化后上橫梁模型

再造模型的質量105000kg,相比較于原始模型質量減少7000kg，減重達到6.3%。

4.2 優化后上橫梁有限元分析

通過有限元分析方法對優化后的上橫梁模型進行檢驗，計算結果如圖8、圖9 所示。

圖8 等效應力云圖

圖9 位移云圖

由上圖可知，優化后上橫梁最大等效應力為112MPa，其值小于許用應力，上橫梁最大位移為1.0mm，在標準設計范圍之內，說明拓撲優化設計方案良好。

5 總結與結論

依據上橫梁特點，利用有限元軟件進行優化設計，以最小柔度為優化目標，對上橫梁進行拓撲優化分析，最終得到上橫梁的最優結構形式，通過有限元分析技術對優化模型進行靜力學仿真驗證，在滿足設計要求的前提下，優化后的上橫梁模型較原模型質量降低6.3%，結構受力特性良好，強度和剛度滿足設計要求，達到預期輕量化設計，為整機結構的合理設計改進提供了可靠的理論依據，可以推廣應用于其他零部件的優化設計。