基于ANSYS-Workbench的某型號挖掘機散熱器支架結構優(yōu)化*

向上升，蔣紹軍，馮 豪，鐘志興

(廣西柳工機械股份有限公司, 廣西 柳州 545007)

基于ANSYS-Workbench的某型號挖掘機散熱器支架結構優(yōu)化*

向上升，蔣紹軍，馮 豪，鐘志興

(廣西柳工機械股份有限公司, 廣西 柳州 545007)

以降低成本、提高舒適性為目的，應用ANSYS-Workbench軟件對挖掘機散熱器支架進行了結構優(yōu)化，結構減重10.8%，結構固有頻率移動了發(fā)動機主要工作頻率范圍外，減小了共振的可能性。

挖掘機；散熱器支架；結構優(yōu)化

1 挖掘機散熱器支架介紹

挖掘機散熱器總成裝配如圖1所示，主要由油散熱器、水散熱器、空空中冷散熱器、散熱器支架和導風罩總成等組成。油散熱器、水散熱器、空空中冷散熱器都是通過4個安裝螺栓和墊套1固定在散熱器支架上；散熱器支架安裝螺栓和彈性墊套5固定在挖掘機回轉平臺橫梁上，緊挨發(fā)動機布置；拉桿8一端固定在散熱器支架上，一端固定在回轉平臺上，斜拉穩(wěn)定住散熱器。

圖1 散熱器總成裝配圖1.散熱器安裝螺栓及墊套 2.空空中冷散熱器 3.水散熱器 4.油散熱器 5.支架安裝螺栓及墊套 6.導風罩總成 7.散熱器支架 8.拉桿

散熱器支架結構由板材焊接而成，如圖2所示主要由彎板1、拉板2(2塊)、安裝板3(2塊)、底板4及上支撐板5等構成。

結構優(yōu)化一般通過經驗、拓撲優(yōu)化、參數優(yōu)化[1]等方式進行，主要從強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性和結構固有頻率等方面對結構進行分析。挖掘機散熱器支架的主要由板材構成，根據設計分析經驗和公司現有的制造能力，筆者采用合理布置結構板厚和局部加強的方法對散熱器支架結構進行優(yōu)化。

圖2 散熱器支架結構和加載約束圖1.彎板 2.拉板 3.安裝板 4.底板 5.上支撐板A.油散熱器質量點 B.水散熱器質量點 C.空空中冷散熱器質量點 D.導風罩總成質量點 E、F.安裝板固定 G.慣性加速度 H、I.拉桿遠程固定

2 結構優(yōu)化有限元分析

2.1 前處理

2.1.1 材料和單元

散熱器支架材料以Q235為主，屈服強度為235 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。

模型單元以具有“殼單元性能”的實體殼單元SOLSH190為主，其他為8節(jié)點六面體SOLID185；單元大小以10 mm為主，關鍵區(qū)域為5 mm、2 mm，總共約4萬單元22萬節(jié)點；散熱器支架焊接處定義為粘結(Bonded)接觸，市場很少反饋該結構的焊接問題，該文假定結構有足夠的焊接強度。

2.1.2 加載

散熱器支架本身只承受總成主要部件的重力，在Workbench中散熱器其他主要部件簡化為質量點，把部件質量點和安裝位置關聯(lián)起來，如圖2所示主要質量點為4個。

散熱器支架承受其他部件靜態(tài)平衡重力較小，主要考慮散熱器支架在發(fā)動機振源作用下的力學性能。固定散熱器支架的挖掘機回轉平臺橫梁的振動加速度一般為2～20 g(20～200 m/s2)，取回轉平臺橫梁的振動加速度為4 g，加上散熱器支架自身的重力作用，如圖2所示加載的慣性加速度為5 g。

2.1.3 約束

散熱器支架與回轉平臺橫梁通過螺栓緊固安裝，如圖2所示散熱器支架底板3采用固定(Fixed Support)約束。

如圖1所示拉桿8與回轉平臺橫梁通過螺栓緊固安裝，在圖2中定義此處為遠程固定(Remote Displacement)約束；拉桿與散熱器支架本身采用粘接(Bonded)接觸形式。

2.2 靜力分析

原結構應力如圖3所示，大部分應力都小于30 MPa，綜合考慮原結構強度和剛度，說明支架板厚存在減小的空間。

優(yōu)化結構應力如圖4所示，與原結構相似大部分應力都小于30 MPa。相比原結構，優(yōu)化結構較大應力區(qū)更少，應力流分布更合理，如表1所示，優(yōu)化結構的具有更好的剛性，最大變形量減少70%；盡管優(yōu)化結構的最大應力大于原結構，最大應力區(qū)域為安裝板與底板焊縫處，但最小安全系數大于2，滿足設計要求。

圖3 原結構的應力云圖 圖4 優(yōu)化結構的應力云圖

表1 結構強度和剛度分析結果

2.3 屈曲穩(wěn)定性分析

散熱器支架為薄板結構，而薄板結構容易屈曲失穩(wěn)，為此需要進行屈曲穩(wěn)定性分析。該文以線性屈曲[2]來分析散熱器支架的屈曲強度。ANSYS-Workbench中只要有限元模型所加載荷的數值大于1，線性屈曲分析得到的第1階屈曲特征值可近似看為結構屈曲穩(wěn)定性的安全系數。圖5為原結構的屈曲振型圖，圖6為優(yōu)化結構的屈曲振型圖，比較兩圖可看出優(yōu)化后結構在薄弱位置實施了局部加強，屈曲穩(wěn)定性增強，具體安全系數如表2所示。

圖5 原結構的第1階屈曲振型圖 圖6 優(yōu)化結構的第1階屈曲振型圖

表2 屈曲穩(wěn)定性安全系數

2.4 模態(tài)分析

挖掘機工作油門不連續(xù)，采用5～15檔位的油門旋鈕；發(fā)動機轉速一般為700～2 200 r/min，怠速振動頻率為37～45 Hz，主要工作振動頻率為83～107 Hz。散熱器支架設計的振動頻率盡量避開挖掘機怠速振和主要工作振動頻率范圍，一般要避開發(fā)動機頻率2 Hz以上[3-4]。

表3為散熱器支架優(yōu)化前后的固有頻率，可看出原結構和優(yōu)化結構的固有頻率都不在發(fā)動機怠速區(qū)，然而原結構有3個固有頻率在發(fā)動機主要工作頻率范圍內；優(yōu)化結構的固有頻率都不在發(fā)動機主要工作頻率內，且頻率與發(fā)動機頻率相差2 Hz以上。

圖7為原結構有代表性的振型圖，表明上支撐板、彎板下端、拉桿的抗彎曲能力太差。圖8是優(yōu)化結構最難調整的一個振型，上支撐板與彎板下端彎曲剛度差，最后通過在上支撐板和彎板下端板上貼上2 mm的加強板才讓結構固有頻率大于107 Hz。

表3 結構固有振動頻率 /Hz

圖7 原結構的第9階模態(tài)振型圖 圖8 原結構的第6階模態(tài)振型圖

圖9 結構優(yōu)化改進部位圖

2.5 優(yōu)化措施及效果

散熱器支架優(yōu)化后減重達10.8%，最大變形量減少70%，結構剛度和屈曲穩(wěn)定性增強，結構固有頻率在發(fā)動機怠速和主要工作頻率范圍外，具體的改進措施如圖9和表4所示。

表4 結構改進項目(對應圖9)

3 結 語

對某型號挖掘機散熱器支架結構進行了優(yōu)化，減輕了重量，降低了成本，增強了屈曲穩(wěn)定性，通過改變結構把固有頻率調整到發(fā)動機怠速和主要工作頻率范圍外，降低了散熱器支架共振的可能性，改進了舒適性。

提出了一種基于ANSYS-Workbench結構優(yōu)化思路和方法，對以后工程機械方面的結構優(yōu)化設計提供技術參考。

[1] 施朝坤，馮 豪，包剛強.基于參數優(yōu)化方法的挖掘機動臂輕量化設計[J].工程機械，2013，44(12)：44-50.

[2] 凌桂龍，丁金濱，溫 正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M] .北京：清華大學出版社，2012.

[3] 譚繼錦，張代勝.汽車結構有限元分析[M].北京：清華大學出版社，2009.

[4] 楊 帆，吳小平.液壓挖掘機工作裝置有限元靜強度分析[J].機械，2013(4)：56-58.

Structure Optimization of an Excavator Radiator Bracket by ANSYS-Workbench

XIANG Shang-sheng, JIANG Shao-jun, FENG Hao, ZHONG Zhi-xing

(GuangxiLiugongMachineryCo.,Ltd,LiuzhouGuangxi545007,China)

Radiator bracket of excavator is optimized by ANSYS-Workbench to decrease cost and improve comfort. The weight is decreased by 10.8%, and the structure frequency is moved off main work frequency of motor and reduce the probability of syntonization.

excavator; radiator bracket; structure optimization

2013-12-15

向上升(1981-)，男，湖南益陽人，工程師，碩士，主要從事工程機械結構分析和設計方面的研究工作。

TH11

A

1007-4414(2014)01-0076-03