基于OptisStruct的橋梁檢測車臂架結(jié)構(gòu)靈敏度及尺寸優(yōu)化分析

高軍委，劉家嫵，魯曉虎，嚴(yán)鵬鵬

工藝裝備

基于OptisStruct的橋梁檢測車臂架結(jié)構(gòu)靈敏度及尺寸優(yōu)化分析

高軍委，劉家嫵，魯曉虎，嚴(yán)鵬鵬

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

針對橋檢車臂架結(jié)構(gòu)笨重的現(xiàn)象，根據(jù)橋梁檢測車臂架結(jié)構(gòu)的工作條件及負(fù)載情況，對橋梁檢測車垂直、二回轉(zhuǎn)及伸縮臂總成結(jié)構(gòu)剛度及強度進(jìn)行分析，并針對分析結(jié)果對原始模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靈敏度分析及尺寸優(yōu)化，對模型中方管及板料壁厚減薄，在充分考慮多種設(shè)計約束的前提下尋求滿足預(yù)定目標(biāo)的最佳設(shè)計，為橋梁檢測車臂架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

橋檢車；剛度；強度；靈敏度分析；尺寸優(yōu)化

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-172-04

引言

橋梁檢測車是一種可以為橋梁檢測人員在檢過程中提供作業(yè)平臺，裝備有橋梁檢測儀器，用于流動檢測和維修作業(yè)的專用汽車[1]。它通過三段巨型機械臂的回轉(zhuǎn)、伸縮將工作人員和檢測設(shè)備送至橋梁底部工作范圍內(nèi)的任意位置進(jìn)行橋梁檢測作業(yè)。橋梁檢測車臂架結(jié)構(gòu)作為橋梁檢測車最主要結(jié)構(gòu)組成部分，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計對整車結(jié)構(gòu)性能有很大的提升，以往的設(shè)計主要是關(guān)注料厚，往往認(rèn)為，板越厚，結(jié)構(gòu)就越強。近年研究發(fā)現(xiàn)，提升結(jié)構(gòu)的比剛度才能有效提升材料的結(jié)構(gòu)性能[2]。為此，在新產(chǎn)品設(shè)計中，需要根據(jù)橋梁檢測車臂架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在滿足剛度需求的前提下怎樣使得材料的質(zhì)量最輕。基于此對橋檢車臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計，提高其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。通常僅憑設(shè)計人員的經(jīng)驗很難實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化, 隨著計算機的發(fā)展和工程計算軟件的日益成熟，一種新的手段大大的改善了優(yōu)化的質(zhì)量。本文首先進(jìn)行了基于剛強度特性的靈敏度分析，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案提供良好的依據(jù)。使用OptiStruct計算器對臂架結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化，最終計算結(jié)果表明，修改后方案使結(jié)構(gòu)性能大幅度提高?；陟`敏度方法，為臂架結(jié)構(gòu)的開發(fā)提供了思路和設(shè)計依據(jù)。

1 橋檢車臂架結(jié)構(gòu)靈敏度及尺寸優(yōu)化分析

1.1 結(jié)構(gòu)靈敏度分析

結(jié)構(gòu)靈敏度分析[4]是以建立結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的有限元模型和優(yōu)化問題合理的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的，是分析結(jié)構(gòu)性能參數(shù)Tj對結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)xi變化的敏感性，即：

靈敏度的數(shù)值可以反映結(jié)構(gòu)各設(shè)計變量對結(jié)構(gòu)性能的影響。公式推導(dǎo)過程：

靜力平衡方程可表示為：

對上式左右兩端求關(guān)于第i項設(shè)計變量xi的偏微分，并移項得：

由于載荷向量F并不隨設(shè)計變量的變化而變化，故△F=0，所以：

于是，目標(biāo)函數(shù)或約束等有關(guān)節(jié)點位移函數(shù)的性能參數(shù)對設(shè)計變量 xi的靈敏度可由下式求出：

1.2 尺寸優(yōu)化流程

尺寸優(yōu)化是最經(jīng)典的優(yōu)化技術(shù)，一般也叫參數(shù)優(yōu)化技術(shù)（改變模型參數(shù)值，網(wǎng)格模型保持不變），可以對有限元模型的各種參數(shù)，如板件厚度、桿梁截面、尺寸、材料特性、彈性元件剛度等進(jìn)行優(yōu)化，如圖1：

利用T-text分析是否上過檢索課研究生對于初級知識、中級知識、高級知識、初級技能、中級技能、高級技能、態(tài)度的差異情況，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)在知識、技能兩個方面因素P值都大于0.05，沒有顯著性差異，只有態(tài)度的P值低于0.05，存在顯著性差異，上過文獻(xiàn)檢索課的得分高于沒上過文獻(xiàn)檢索課的研究生。

圖1 尺寸優(yōu)化流程圖

2 橋梁檢測車模型建立

2.1 三維實體模型的建立

文章采用CATIA軟件建立橋梁檢測車臂架結(jié)構(gòu)三維實體模型，并對模型進(jìn)行必要的簡化，其模型如圖2所示。

圖2 橋檢車三維實體模型

2.2 有限元模型的建立

文章采用hypermesh軟件對橋檢車進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主體結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)，采用1D梁單元、2D殼單元及3D實體單元三種單元類型。殼單元平均尺寸20mm，體單元平均尺寸10mm，模型節(jié)點數(shù)389672，單元數(shù)量499137。如圖3所示。

圖3 橋檢車有限元模型

3 約束及載荷的建立

3.1 約束的建立

約束垂直壁上連接支架六個絞點的三個方向平動自由度。如圖4所示。

圖4 約束條件

3.2 載荷的施加

3.2.1 工況一：整個旋轉(zhuǎn)臂及伸縮臂面施加8000N均布載荷；

圖5 8000N均布載荷

3.2.2 工況一：伸縮臂前端1㎡處施加4000N集中載荷。

圖6 8000N均布載荷

4 靜力分析結(jié)果

4.1 位移云圖

對兩種工況下橋檢車臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，得到位移結(jié)果分別為8000N均布載荷下位移為320.5mm，4000N集中載荷下位移為323.9mm，如圖7所示。

圖7 位移云圖

對兩種工況下橋檢車臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，得到應(yīng)力分布結(jié)果分別為8000N均布載荷應(yīng)力為416.1MPa，4000N集中載荷下應(yīng)力為406.5N，如圖8所示。

圖8 應(yīng)力云圖

5 靈敏度分析及尺寸優(yōu)化

圖9 剛度靈敏度柱狀圖

根據(jù)橋檢車垂直&旋轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)特點，將方管壁厚及板厚t作為優(yōu)化變量，對結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行約束，建立目標(biāo)函數(shù)，定義質(zhì)量最小，對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度靈敏度分析，如圖9和10所示。

圖10 剛度靈敏度H3D圖

6 對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次分析

6.1 參數(shù)提取

圖11 參數(shù)提取

6.2 對剩余部件重新定義厚度，重新計算

6.2.1 工況一（位移云圖對比）

圖12

工況一的情況下，新模型與原始模型位移對比結(jié)果，最大位移出現(xiàn)位置未發(fā)生變化，新模型位移306.1mm＜原始模型320.5mm，表明輕量化后模型彎曲剛度增加。

6.2.2 工況一（應(yīng)力云圖對比）

圖13

工況一的情況下，新模型與原始模型應(yīng)力對比結(jié)果，最大應(yīng)力位置未發(fā)生變化，新模型應(yīng)力最大值367.2MPa＜原始模型最大應(yīng)力值416.1MPa，表明輕量化后模型應(yīng)力水平降低。

6.2.3 工況二（位移云圖對比）

圖14 參數(shù)提取

工況二的情況下，新模型與原始模型位移對比結(jié)果，最大位移出現(xiàn)位置未發(fā)生變化，新模型位移311.7mm＜原始模型323.9mm，表明輕量化后模型彎曲剛度增加。

6.2.4 工況二（應(yīng)力云圖對比）

圖15

工況一的情況下，新模型與原始模型應(yīng)力對比結(jié)果，最大應(yīng)力位置未發(fā)生變化，新模型應(yīng)力最大值357.5MPa＜原始模型最大應(yīng)力值406.5MPa，表明輕量化后模型應(yīng)力水平降低。

7 結(jié)論

通過對橋梁檢測車臂架結(jié)構(gòu)仿真分析，得出一下結(jié)論：

1）原始模型重量為5.027t，尺寸優(yōu)化后新模型重量4.402t，重量減輕625kg，減重幅度為12.4%；

2）本文系統(tǒng)闡述了基于OptiStruct的橋檢車結(jié)構(gòu)剛度靈敏度分析及尺寸優(yōu)化過程，其優(yōu)化后結(jié)果明顯優(yōu)于優(yōu)化前方案。同時，羅列了以臂架結(jié)構(gòu)各部件的厚度為參數(shù)，以整體結(jié)構(gòu)剛度為函數(shù)，確定了它們之間的定量關(guān)系，為以后橋檢車的設(shè)計提供指導(dǎo)和依據(jù), 減小設(shè)計的盲目性和設(shè)計成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。實踐證明, 基于靈敏度分析方法在工程優(yōu)化方法中具有良好的可行性和應(yīng)用前景。

[1] 龔棟梁.國內(nèi)外橋梁檢測車發(fā)展概述[J].商用汽車,2009(6)∶100-102.

[2] 洪清泉,趙康,張攀,等.OptiStruct＆HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].北京∶機械工業(yè)出版社,2012.

[3] 王鈺棟,金磊,洪清泉,等.HyperMesh＆HyperView應(yīng)用技巧與高級實例[M].北京：機械工業(yè)出版社,2012.

[4] 陳敏,張華偉,吳智恒,鄭振興.山地車車架結(jié)構(gòu)靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2013 (10)∶233-238．

[5] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪.基于hyperworks的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[M].北京∶機械工業(yè)出版社,2007.

Sensitivity Analysis & Size Optimization Based on OptisStructof Trussed Structure of Bridge Inspection Vehicle

Gao Junwei, Liu Jiawu, Lu Xiaohu, Yan Pengpeng
( Shaanxi Automobile Co.Ltd,. Shaanxi Xi'an 710200 )

For the bulky structure of trussed structure of bridge Inspection vehicle, according to the bridge Inspection vehicle structure working conditions and load conditions of the bridge Inspection vehicle, two vertical rotary and telescopic arm assembly structure stiffness and strength are analyzed,and the results of the analysis for structural sensitivity analysis and size optimization of the original model, the model of tube and sheet thickness, seek the best design to meet the target in consideration of various design constraints, provide a reference for the optimization design of trussed structure of bridge Inspection vehicle．

bridge Inspection vehicle; stiffness; strength; sensitivity; analysis; size optimization

U467

A

1671-7988 (2017)16-172-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.060

高軍委，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司。