基于拓撲優化的舉高消防車轉臺輕量化設計

摘要：針對某舉高消防車轉臺材料冗余的問題，利用ANSYS中拓撲優化模塊對舉高消防車轉臺進行結構優化，在保證結構剛度、強度、穩定性要求的前提下，優化后轉臺減重26%，為舉高消防車整車提供了設計余量，同時提升了整車經濟性。

關鍵詞：舉高消防車;轉臺;拓撲優化;有限元

中圖分類號：U469.6+8 收稿日期：2022-08-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.015

1 前言

隨著經濟社會的快速發展、人口的穩步增長及城市化的不斷推進，高層建筑越來越多，高空救援裝備的需求也逐漸增多。舉高消防車是高空救援滅火的主要消防裝備之一[1]。

轉臺是舉高消防車的承上啟下的承力結構，它的上部承載著伸縮梯架、工作斗、回轉機構、變幅機構等，下部連接著回轉支撐、車架，是舉高消防車的主要受力構件之一，其強度、剛度及穩定性將會直接影響舉高消防車的總體性能[2]。

在某型舉高消防車轉臺靜力學分析過程中，發現轉臺存在材料冗余的問題。利用ANSYS 中的拓撲優化模塊對某型舉高消防車轉臺進行優化分析。在滿足轉臺力學性能的前提下，優化其結構，在滿足輕量化的同時達到性能與結構的綜合平衡。

2 轉臺有限元模型

舉高消防車轉臺是焊接裝配體，由于焊縫對整體結構的應力影響較小，只影響局部結構的應力。因此，在實體建模過程中，忽略焊縫對結構受力的影響，同時在確保關鍵部位有限元分析精度的前提下盡可能簡化結構的棱角、小凸臺、小凹槽等幾何細節特征，提高分析速度和分析精度。建立的舉高車轉臺幾何模型如圖1所示。

該轉臺材料為Q550D（屈服強度550 MPa，安全系數2.0），彈性模量E=206 GPa，泊松比m=0.3，密度r=7.85×103 kg/m3。采用六面體單元劃分網格，控制單元尺寸為15 mm。細化焊縫、變幅油缸座、主臂變幅鉸點、轉臺與回轉支撐螺栓連接孔附近網格。單元數400 147，節點數1 620 472。控制六面體單元長寬比≤5.0，翹曲度≤18°，偏斜度≤60°，內角范圍為40°～135°[3]。所劃分網格如圖2所示。

如圖3所示，載荷D表示主臂鉸點載荷在水平和豎直平面的合力;載荷C表示變幅油缸鉸點載荷在水平和豎直平面的合力[4-5];載荷B表示轉臺重力加速度。約束A表示轉臺與回轉支撐連接螺栓之間的位移約束，約束螺栓孔的Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz這6個自由度，其中，Ux、Uy、Uz分別為沿X、Y、Z軸的平動自由度;Rx、Ry、Rz分別為繞X、Y、Z軸的轉動自由度[6]。

在舉高消防車實際工作過程中，轉臺存在四種危險工況，如表1所示。

3 舉高消防車轉臺優化前分析結果

利用ANSYS靜力學模塊對所建立的某型舉高消防車轉臺有限元模型進行靜力分析，得到四種危險工況下的轉臺應力圖。可以發現，應力分布基本一致，故只對工況一的等效應力（圖4）和總位移（圖5）結果進行展示。

由危險工況下舉高消防車轉臺靜力學分析可知，轉臺的兩側立板、底板、加強管、折彎板應力較低，分布極不均勻，存在材料冗余，因此很有必要對轉臺結構優化以提升局部材料利用率。

4 舉高消防車轉臺拓撲優化及結構改進

轉臺拓撲優化的目標是在滿足結構剛度和強度約束的條件下，使結構的質量達到最小化。

單工況下，拓撲優化數學模型為：

[minC（Xi）=M（Xi） subject toσ（Xi）≤σDx（Xi）≤dxDy（Xi）≤dyDz（Xi）≤dz0≤Xi≤1] （1）

式中，C（Xi）為第i個工況的質量目標函數;Xi為第i個工況的歸一化密度向量;s（Xi）為第i個工況的最大等效應力值;s為等效應力的約束值;Dx（Xi）為第i個工況的X方向最大位移值;Dy（Xi）為第i個工況的Y方向最大位移值;Dz（Xi）為第i個工況的Z方向最大位移值;dx為第i個工況的X方向位移約束值;dy為第i個工況的X方向位移約束值;dz為第i個工況的X方向位移約束值。

多工況的情況下，采用各子工況質量的加權和最小化作為目標函數，靜態特征拓撲優化數學模型為：

[minCω（Xi）=i=1NωiM（Xi） subject toσ（X）≤σDx（X）≤dx，i=1，2，…，NDy（X）≤dyDz（X）≤dz0≤Xi≤1] （2）

式中，[Cω（X）]為多工況下的質量目標函數;N為工況數;[ωi]為第i個工況的加權系數，根據各子工況的重要程度決定。

在本文的舉高消防車轉臺多工況拓撲優化中，加權系數根據四種危險工況中受力的危險程度來取值，即工況一的加權系數為0.22，工況二的加權系數為0.22，工況三的加權系數為0.33，工況四的加權系數為0.23。

在所建立的轉臺有限元模型的基礎上，通過設置優化區域與非優化區域來實現轉臺的結構拓撲優化。通過靜力學受力分析與轉臺本身結構性能可知，轉臺兩側立板、底板、連接兩側立板的加強筋應力較小，設為優化區域。在ANSYS中其單元類型應為Type1，其他區域設為非優化區域。

在四種危險工況下進行多工況拓撲優化分析，以轉臺質量最小化為目標，以轉臺最大應力不超過275 MPa、轉臺X向最大位移值不超過3 mm、轉臺Y向最大位移值不超過0.5 mm、轉臺Z向最大位移值不超過3 mm約束，尋求在給定載荷下轉臺結構質量的最小化，以實現轉臺輕量化。進行拓撲優化時，迭代精度為1×10-3，迭代次數為100，拓撲優化方法采用最優化準則法。

多工況下進行拓撲優化后的轉臺歸一化密度隨迭代次數變化曲線和歸一化密度如圖6～圖9所示。優化后的結果表明，當迭代次數大于20次時，轉臺歸一化密度趨于收斂，因此對于轉臺多工況拓撲優化，迭代次數取20即可。圖中紅色區域的歸一化密度為介于0～0.4之間，表示材料可移除;淺色區域的歸一化密度約為介于0.4～0.6之間，表示材料可移除可不移除;灰色區域的歸一化密度介于0.6～1之間，表示材料需保留。

拓撲優化后的結構無法直接加工制造，因而需要對優化后結構重新設計。從轉臺多工況拓撲優化的歸一化密度圖來看，兩側立板可以挖孔的區域較大，考慮轉臺座椅及其他轉臺附件的正常安裝，只在立板中間區域挖一個小孔。

優化結果顯示，底板前部區域、回轉法蘭與變幅油缸座之間區域去除材料較多，而此兩處區域的材料對轉臺扭轉剛度有較大影響，去除材料會影響轉臺正常使用，故不去除此兩處區域的材料;底板回轉法蘭內部區域去除材料對轉臺扭轉剛度的影響較小，故去除該處材料;連接兩側立板的加強筋去除少許材料，會增加制造的復雜性和生產成本，去除材料的性價比不高，故不去除加強筋的材料。重新設計的優化后結構如圖10所示。

5 舉高消防車轉臺優化后分析結果

優化前后結構重量、應力結果、位移結果對比如表2、表3所示。優化后結構減重26%，工況一轉臺高應力區應力減小23%，工況二、三轉臺高應力區應力減小27%，工況四轉臺高應力區應力減小20%;工況一轉臺總位移增加1.44 mm，工況二轉臺總位移增加1.63 mm，工況三轉臺總位移增加2.86 mm，工況四轉臺總位移增加1.67 mm。

與第三節保持一致，只展示工況一的應力和位移圖，如圖11～圖12所示。

可以看出：轉臺重量減重的同時應力分布更加均勻，材料利用率提升;剛度有微弱降低，對舉高消防車正常使用基本沒有影響。優化后轉臺減重26%，為舉高消防整車提供了設計余量的同時提升了整車經濟性。

6 結語

a.利用ANSYS拓撲優化模塊優化結構的結果，對結構優化有指導性意義。由于優化后的結構無法直接加工制造，仍需要二次建模。

b.優化后轉臺重量減輕的同時應力分布更加均勻，材料利用率提升;剛度有微弱降低，對舉高消防車正常使用基本沒有影響。

c.優化后轉臺減重26%，為舉高消防整車提供了設計余量的同時提升了整車經濟性。

參考文獻：

[1]孟巖.舉高消防車穩定性和強度計算[J].商用汽車，2014（16）：51-53.

[2]劉通，王欣，高順德.基于ANSYS的履帶起重機轉臺拓撲優化[J].建設機械技術與管理，2016（7）：70-75.

[3]GBT 33582-2017 機械產品結構有限元力學分析通用規則[S].

[4]何亞東.LT53消防車上車參數化有限元模型開發及結構分析[D].秦皇島：燕山大學，2018.

[5]毛永煒.登高平臺消防車金屬結構的有限元分析與穩定性研究[D].濟南：山東大學，2013.

[6]鄧賽幫，唐華平，張冠勇.汽車起重機轉臺的有限元分析及拓撲優化設計[J].現代制造工程，2016（7）：40-46.

作者簡介：

陳新志，男，1989年生，工程師，研究方向為舉高類消防車設計。