基于OptiStruct的交叉帶分揀小車輕量化設(shè)計

周 杭，丁曉紅

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 上海 200093)

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基于OptiStruct的交叉帶分揀小車輕量化設(shè)計

周 杭，丁曉紅

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 上海 200093)

為滿足交叉帶分揀小車輕量化的需求，以某分揀小車為例，綜合采用新材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，將原應(yīng)用材料Q235替換為新材料ZL114A，并對其多工況進行加權(quán)組合處理，利用OptiStruct軟件進行仿真分析，得到分揀小車結(jié)構(gòu)的最佳承載形式，并通過去除材料的方式，提高結(jié)構(gòu)整體剛度，減輕結(jié)構(gòu)總質(zhì)量。結(jié)果表明，優(yōu)化后的總質(zhì)量減少了29.8%，而且強度和剛度都滿足校核條件，有明顯的輕量化效果，驗證了該設(shè)計方案的可行性。

交叉帶分揀小車；拓撲優(yōu)化；輕量化；鋁合金

隨著物流業(yè)的不斷發(fā)展，面對分揀量的增加、配送點的增多、配送相應(yīng)時間的縮短和服務(wù)質(zhì)量的提高，自動分揀技術(shù)的優(yōu)化與提高對物流運輸發(fā)展具有重要意義[1]。

常見的交叉帶式分揀系統(tǒng)，主要由滑道和載有小型帶式輸送機的臺車聯(lián)接在一起，當臺車移動到所規(guī)定的分揀位置時，轉(zhuǎn)動皮帶，完成將商品分揀送出的任務(wù)。其中交叉帶分揀小車是構(gòu)成物流運輸分揀工作系統(tǒng)的主要構(gòu)件之一，主要由拖板、墻板、支撐型材通過螺栓連接而成，還包括加強筋、滾筒、皮帶等部件。同時交叉帶分揀小車通過螺栓連接到滑軌上的底盤，其質(zhì)量的大小對運輸穩(wěn)定性、精確性、頻率等有較大的影響，因此交叉帶分揀小車的輕量化設(shè)計對提高運輸分揀的綜合性能有重要意義[2-3]。

目前自動化物流運輸分揀系統(tǒng)主要研究的是控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計，基本沒有研究考慮到交叉帶小車本體機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，并且設(shè)計通常是由設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗和類比的方法對機構(gòu)進行設(shè)計，設(shè)計后的結(jié)構(gòu)強度往往不均勻，材料也沒得到充分利用導(dǎo)致整體質(zhì)量過大。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展[4]，大幅提高了工程機械領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計效率和質(zhì)量。本文基于拓撲優(yōu)化的交叉帶小車輕量化設(shè)計，運用拓撲優(yōu)化技術(shù)來進行概念設(shè)計，得到力的最優(yōu)傳遞路徑，并結(jié)合模態(tài)分析來得到最終設(shè)計方案，能夠有效避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的“盲目性”，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其在滿足剛度要求的同時，達到輕量化目標[5-6]。

影響交叉帶分揀小車總質(zhì)量的因素除了結(jié)構(gòu)方面的因素外，另外一個是分揀小車的制作材料。一般傳統(tǒng)的分揀小車的大部分部件材料是Q235鋼材。本文擬用鋁合金ZL114A材料[7]替換Q235材料，該鋁合金材料密度約為鋼材的1/3，在等強度和等剛度下，鋁合金材料ZL114A比Q235鋼材可減重約30%。兩者的物理特性如表1所示。

表1 材料物理特性對比

1 交叉帶分揀小車設(shè)計及性能要求

1.1 分揀小車幾何模型的建立

以某交叉帶分揀小車為例，為結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計并建立該結(jié)構(gòu)的三維模型。由于傳統(tǒng)交叉帶小車結(jié)構(gòu)由多個部件組成，不方便后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)進行簡化，把傳輸皮帶、張緊滾筒組件、底護罩和伸縮遮板等與主骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計不相關(guān)部件去掉，在后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中，皮帶和滾筒組件有效質(zhì)量用相對應(yīng)載荷代替。簡化后的三維模型如圖1所示。

圖1 交叉帶分揀小車三維模型

1.2 分揀小車性能要求

此交叉帶分揀小車的建模尺寸要求分揀包裹最小尺寸為長(L)×寬(B)×高(H)(150 mm×150 mm×15 mm)，分揀包裹最大尺寸為L×B×H(260 mm×260 mm×200 mm)，最大重量為5 kg。根據(jù)要求選擇極限情況，即最小尺寸時的最大重量作為分析條件。

2 交叉帶分揀小車結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 分揀小車有限元模型的建立

將上述簡化的交叉帶分揀小車三維模型導(dǎo)入OptiStruct軟件[8- 9]的前處理模塊進行有限元網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)定和載荷施加，以上三維模型簡化掉的滾筒和皮帶分別以集中載荷和面壓力的形式代替進行載荷施加。由于模型中部件間的連接是由螺栓進行連接，屬于剛性連接，此處采用RBE2單元進行部件間的等效連接。通過對交叉帶分揀小車的部件組成及材料分析，將有限元網(wǎng)格分為設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域，其中支撐鋁型材為標準件，形狀尺寸固定不變，為非設(shè)計區(qū)域，此處加強筋本身結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較小，同樣不進行優(yōu)化，也作為非設(shè)計區(qū)域。所以分揀小車結(jié)構(gòu)設(shè)計主要由小車上托板設(shè)計區(qū)域和對稱的兩個墻板設(shè)計區(qū)域組成。

2.2 工況設(shè)置

此交叉帶分揀小車通過墻板下方2個安裝孔通過螺栓連接到滑軌的底盤上，所以對對稱的兩墻板相應(yīng)固定點位置模擬螺栓連接約束了X、Y、Z方向的移動自由度以及X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動自由度。

由物流運輸分揀的工作環(huán)境和特點可知，當交叉帶分揀小車運作時，包裹會隨機分布到托班上，構(gòu)成了不同的工況，也只有更加符合實際作業(yè)的工況才能使有限元設(shè)計具有現(xiàn)實意義。根據(jù)以往研究經(jīng)驗，研究人員在對分揀小車進行有限元分析時一般考慮幾種典型的工況，所以為保證結(jié)構(gòu)分析的合理性，采用包裹經(jīng)常被放置的三處位置進行加權(quán)組合[10]，由于正中間位置這種工況位置更為常見，被分配的權(quán)重系數(shù)大一點，設(shè)為0.4，左右兩邊對稱位置權(quán)重系數(shù)均設(shè)為0.3，權(quán)重系數(shù)總和為1[11]。對于各位置包裹的尺寸重量，采用上述性能要求極限情況數(shù)值，即最小尺寸時的最大重量(150 mm×150 mm×15 mm，5 kg)。工況如圖2所示。

圖2 工況示意圖

3 交叉帶分揀小車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 分揀小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化

要使設(shè)計區(qū)域結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，使材料充分發(fā)揮其力學(xué)性能。現(xiàn)采用變密度法(SIMP)進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。SIMP方法[12]是一種密度-剛度差值拓撲算法。以人為假定的單元密度為設(shè)計變量，利用0～1之間實數(shù)的p次冪(p>1)會變得更小這一規(guī)律，對材料密度插值的中間值進行重新懲罰評估，使中間值向0或1靠近，這樣大密度的單元與小密度的單元分化更明顯。在SIMP方法中，優(yōu)化后單元的彈性模量由下式?jīng)Q定

(1)

式中，Ee表示優(yōu)化后單元的彈性模量；E0表示單元密度為1時的彈性模量；p為冪指數(shù)。

交叉帶分揀小車剛度特性是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。由于柔度與剛度成倒數(shù)關(guān)系，以分揀小車整體柔度最小為優(yōu)化目標，可得到符合約束條件下剛度最大的結(jié)構(gòu)。在拓撲優(yōu)化的過程中，對設(shè)計區(qū)域的體積進行一定的約束，可以在降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時，得到輕質(zhì)高強的交叉帶分揀小車結(jié)構(gòu)。拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可描述如式(2)所示。

Minmize:U

s.t.g(X)=VV0≤V*

0≤Xi≤1,(i=1,…,N)

(2)

式中，U為目標函數(shù)，即交叉帶小車模型總應(yīng)變能；X為設(shè)計變量(單元密度)；V為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的體積；V0為拓撲優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的體積；V*為保留分數(shù)，設(shè)定為0.5。

圖3 優(yōu)化迭代曲線

利用OptiStruct軟件進行拓撲優(yōu)化計算，經(jīng)過11次迭代后，體積逐漸趨于穩(wěn)定，迭代達到收斂，得到最佳的傳力路徑，迭代過程如圖3所示。分析得到的拓撲形態(tài)的單元密度分布云圖，如圖4所示。云圖中深灰色區(qū)域表示單元密度接近1，即在拓撲設(shè)計中需要保留的材料區(qū)域；黑色區(qū)域是密度較小的區(qū)域，即后續(xù)設(shè)計中主要進行材料剔除的區(qū)域。

圖4 拓撲優(yōu)化單元密度云圖

參考拓撲優(yōu)化得到的單元密度云圖，選定設(shè)計區(qū)域進行材料去除，建立新的交叉帶分揀小車幾何模型，如圖5所示。對于上托板設(shè)計區(qū)域，因為交叉單分揀小車上托板用來傳遞包裹，所以不能大塊材料整體去除，考慮工藝要求，在上托板合適位置進行陣列打孔[13]；對于兩墻板設(shè)計區(qū)域，在兩墻板同樣的位置進行大塊材料去除。

圖5 新交叉帶分揀小車幾何模型

3.2 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能比較

在設(shè)定的加權(quán)工況下， 對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后交叉帶分揀小車進行靜力學(xué)分析，并與該交叉帶分揀小車初始結(jié)構(gòu)進行對比，得到性能對比，如表2所示。

表2 模擬結(jié)果對比

從表2模擬結(jié)果對比可知，拓撲優(yōu)化后的交叉帶分揀小車最大位移稍有提高，變化并不大，但是總體質(zhì)量從原來的9.402 kg減小到6.6 kg，質(zhì)量百分比減少29.8%，而且現(xiàn)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為47.54 MPa，百分比下降1%，小于鋁合金材料的屈服應(yīng)力(230 MPa)?？傊?，交叉帶分揀小車機構(gòu)在滿足整體剛度要求下，總質(zhì)量得到明顯改善，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。

4 結(jié)束語

本文以某交叉帶分揀小車為例，借助OptiStruct軟件對該結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計。針對該結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，用鋁合金材料ZL114A替換Q235鋼，以拓撲優(yōu)化技術(shù)對新材料的分布進行優(yōu)化，得到分揀小車結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲形態(tài)。結(jié)果表明，在滿足分揀小車結(jié)構(gòu)強度和剛度要求下，整體質(zhì)量大幅降低，驗證了該設(shè)計方案的可行性。該方法和設(shè)計思想為物流運輸設(shè)備及其他零部件的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供了一定的借鑒依據(jù)，并可以應(yīng)用到其他類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中。

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Lightweight Design of Cross-belt Sorter Based on OptiStruct

ZHOU Hang，DING Xiaohong

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to meet the demand of lightweight of cross-belt sorter，across-belt sorter is studied as an example in this paper, the comprehensive use of new materials and the structure optimization design technology，its traditional material Q235 is replaced by ZL114A.，and its operating mode more weighted array processing, getting the sufficient strength and rigidity of the structure by using the OptiStruct software, and then through the removal of structure material, improve the overall stiffness of the structure and reduce the weight of the structure. Result show that the total weight is reduced by 29.8% and the strength and rigidity of new structure has been checked, has the obvious effect of lightweight, which proves feasibility of the design.

across-belt sorter;topology optimization;lightweight;aluminum alloy

2016- 10- 28

周杭(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計。丁曉紅(1965-),女，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：機械系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)現(xiàn)代設(shè)計理論。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.033

TH691.5; O224

A

1007-7820(2017)08-121-04