某挖樹(shù)機(jī)挖土鏟的綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高一佳1 翟云飛2

1. 陜西保利特種車(chē)制造有限公司 陜西西安 710200

2. 陜西汽車(chē)集團(tuán) 陜西西安 710200

某挖樹(shù)機(jī)挖土鏟的綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高一佳1 翟云飛2

1. 陜西保利特種車(chē)制造有限公司 陜西西安 710200

2. 陜西汽車(chē)集團(tuán) 陜西西安 710200

第一作者：高一佳，男，1982年生，工程師，現(xiàn)從事軍用卡車(chē)及裝甲車(chē)結(jié)構(gòu)分析工作。

1 前言

某挖樹(shù)機(jī)項(xiàng)目的挖土鏟在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段遇到了制造工藝性差和結(jié)構(gòu)超重的難題。市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在售的同類(lèi)產(chǎn)品普遍采用12 mm厚度的調(diào)制65Mn高強(qiáng)耐磨鋼板經(jīng)沖壓制成，該沖壓工藝需要使用大型壓力設(shè)備和專用模具，而購(gòu)置這些設(shè)備無(wú)疑會(huì)大幅增加新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。因此工程師們?cè)噲D通過(guò)使用計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化（Optimization）設(shè)計(jì)方法，尋找一種新的解決途徑，設(shè)計(jì)一種全新的具有優(yōu)良制造性和輕量化特性的挖土鏟結(jié)構(gòu)。

2 挖土鏟的優(yōu)化策略

優(yōu)化(Optimization)通常包括拓?fù)洹⑿螤?、形貌和尺寸等?yōu)化技術(shù)。為了說(shuō)明如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中合理地嵌入這些技術(shù)，圖1展示了一個(gè)三階段設(shè)計(jì)流程圖。在“系統(tǒng)總布置”階段，通常采用拓?fù)鋬?yōu)化決定載荷路徑，并指導(dǎo)工程師沿著載荷路徑布置結(jié)構(gòu)；在“工程細(xì)化設(shè)計(jì)”階段，零件的結(jié)構(gòu)和自重被基本確定，通常使用形貌和形狀優(yōu)化來(lái)獲得滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求的輕量化設(shè)計(jì)；在“最終結(jié)構(gòu)分析”階段，只能使用尺寸對(duì)零件進(jìn)行細(xì)微的厚度調(diào)整。因?yàn)榇藭r(shí)使用其他優(yōu)化技術(shù)通常會(huì)導(dǎo)致對(duì)前面工作的全盤(pán)否定或大范圍調(diào)整。該階段主要使用有限元工具分析零件的靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度、疲勞耐久等，對(duì)最終結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)。如前所述，處理不同環(huán)境、不同階段和不同類(lèi)型的零件往往需要這些技術(shù)的綜合迭代和聯(lián)合應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程各階段如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程各階段

下文通過(guò)詳細(xì)介紹挖土鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)明，在具體的設(shè)計(jì)工作中如何高效地應(yīng)用這些優(yōu)化技術(shù)。本項(xiàng)目中的拓?fù)?、形狀、形貌和尺寸?yōu)化主要使用由Altair Engineering Inc開(kāi)發(fā)的Altair HyperWorks工具包完成。在該工具包中，HyperMesh是一種高效的優(yōu)化建模前處理工具，同時(shí)OptiStruct線性有限元求解器內(nèi)置了拓?fù)鋬?yōu)化最優(yōu)法則和用于形狀尺寸優(yōu)化的基于梯度的優(yōu)化算法。

3 挖土鏟的優(yōu)化過(guò)程

上述這些優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)通過(guò)各種聯(lián)合和迭代應(yīng)用到挖土鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中。聯(lián)合和迭代的方法及順序受到多重因素的影響。如果某個(gè)零件和周?chē)慵袕?fù)雜的連接和接觸關(guān)系，或者能夠直觀地看出載荷路徑，那么采用拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方法就并不適合。而板殼單元?jiǎng)t比實(shí)體單元更適合進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)榘鍤卧倪\(yùn)行效率高得多。另一個(gè)重要因素是零件的完善程度，在零件的早期設(shè)計(jì)階段，拓?fù)鋬?yōu)化會(huì)增加價(jià)值；而在零件細(xì)節(jié)完成以后，拓?fù)鋬?yōu)化可能會(huì)導(dǎo)致大量的返工從而浪費(fèi)更多的時(shí)間，這時(shí)更好的選擇是僅進(jìn)行形狀和尺寸優(yōu)化，以減少局部材料過(guò)剩[8]。另外，實(shí)體單元進(jìn)行形狀優(yōu)化時(shí)盡量采用六面體單元，因?yàn)樵谒拿骟w單元上定義形狀偏移向量是相當(dāng)困難的，只要有輕微的網(wǎng)格變形這些單元就會(huì)坍塌。形狀優(yōu)化也可以與尺寸優(yōu)化串聯(lián)進(jìn)行，這會(huì)更高效地產(chǎn)生一個(gè)輕量化設(shè)計(jì)方案。

下面將展示挖土鏟優(yōu)化的具體過(guò)程，以說(shuō)明如何聯(lián)合應(yīng)用多種優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)挖土鏟的最佳材料分布，并將優(yōu)化結(jié)果與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，基準(zhǔn)設(shè)計(jì)即優(yōu)化前的原始結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)對(duì)零件特點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)研究，確定該挖土鏟的優(yōu)化流程如下：

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度分析→拓?fù)鋬?yōu)化→形狀優(yōu)化→一維拓?fù)鋬?yōu)化→尺寸優(yōu)化→最終設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度分析

挖土鏟的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是采用厚度為12 mm的鋼板進(jìn)行沖壓成型，總質(zhì)量為73.5 kg，不滿足該零件的質(zhì)量目標(biāo)值60 kg。同時(shí)，對(duì)這種厚度的65Mn鋼板進(jìn)行冷沖壓性也較為困難，不能滿足制造工藝性要求。因此，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2可看出最大變形值較小且最大應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度，所以初步估計(jì)該結(jié)構(gòu)仍有較大的減重空間。在減重的同時(shí)也需考慮改善制造工藝性。

圖2 挖土鏟基礎(chǔ)設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度分析

接下來(lái)使用OptiStruct對(duì)挖土鏟執(zhí)行拓?fù)浜托螤盥?lián)合優(yōu)化，目的是在增加剛度的同時(shí)降低零件的自重。優(yōu)化目標(biāo)是最小化收斂能，同時(shí)還要滿足最大位移、最大應(yīng)力和最小體積分?jǐn)?shù)約束，另外還限定了拓?fù)鋬?yōu)化的最小成員厚度。拓?fù)鋬?yōu)化采用密度法，設(shè)計(jì)區(qū)域是螺栓安裝孔外的其余全部區(qū)域，設(shè)計(jì)變量為單元密度，最大厚度為12 mm，最小厚度為6 mm。形狀優(yōu)化采用基于有限元的梯度算法，通過(guò)挖土鏟四周的網(wǎng)格變形定義形狀偏移向量，這些形狀變量在隨后的形狀優(yōu)化中被用作設(shè)計(jì)變量。

該優(yōu)化模型全部使用四邊形二維殼體單元?jiǎng)?chuàng)建，殼體單元在優(yōu)化運(yùn)算時(shí)比實(shí)體單元具有更高的效率，從而允許在優(yōu)化模型中定義更多的設(shè)計(jì)變量[9]。另外，本優(yōu)化設(shè)置了最小成員尺寸控制參數(shù)，該參數(shù)控制由拓?fù)鋬?yōu)化生成成員的尺寸。通過(guò)調(diào)節(jié)該參數(shù)可以獲得制造工藝性更好的材料分布。優(yōu)化模型的約束和載荷都按照基礎(chǔ)設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度分析時(shí)的工況施加。該聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題可以用表1描述。

表1 拓?fù)浜托螤盥?lián)合優(yōu)化問(wèn)題描述

使用OptiStruct優(yōu)化工具對(duì)該聯(lián)合優(yōu)化模型執(zhí)行運(yùn)算，得到如圖3所示的計(jì)算結(jié)果。該圖中藍(lán)色區(qū)域表示鋼板厚度為6 mm，紅色區(qū)域表示鋼板厚度為12 mm。從圖中可以看出，拓?fù)鋬?yōu)化給出了該零件清晰的載荷路徑，載荷路徑展示了應(yīng)當(dāng)保留的材料，以及可以被移除的材料。拓?fù)浣Y(jié)果建議降低除鏟刀下部區(qū)域以外鋼板的厚度。

圖3 聯(lián)合優(yōu)化得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

形狀優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果如圖4所示，圖中的藍(lán)色零件為形狀優(yōu)化產(chǎn)生的新設(shè)計(jì)，紅色線條為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的外輪廓線。從圖4可以看出，挖土鏟的頂部被向上拉伸，左右腰部被向外拉伸，底部的鏟尖被向下拉伸。形狀優(yōu)化的結(jié)果是整個(gè)挖土鏟的外輪廓變得更加流線化。這會(huì)使挖土鏟上的應(yīng)力分布更加均勻。

圖4 聯(lián)合優(yōu)化得到的形狀優(yōu)化結(jié)果

拓?fù)浜托螤顑?yōu)化的聯(lián)合結(jié)果如圖5所示。從該聯(lián)合優(yōu)化結(jié)果可看出，經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)域內(nèi)材料的重新分布和形狀優(yōu)化對(duì)挖土鏟輪廓的調(diào)整之后，獲得了一個(gè)制造難度大大降低的新設(shè)計(jì)，且該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值相比基礎(chǔ)設(shè)計(jì)只有輕微增加。但是相比基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)的質(zhì)量降低了36%，該值滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量目標(biāo)值。

圖5 聯(lián)合優(yōu)化得到的拓?fù)湫螤盥?lián)合優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上面聯(lián)合優(yōu)化的結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種新的挖土鏟結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主體是一塊6 mm厚的基礎(chǔ)鏟板，在其下部鉚接一塊同樣厚度但尺寸小很多的加強(qiáng)襯板。板厚由原來(lái)的12 mm降低至6 mm后，將極大地降低制造難度和生產(chǎn)成本。但這帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題，鉚釘如何布置才能將基礎(chǔ)鏟板和加強(qiáng)襯板可靠地連接在一起。

為解決此問(wèn)題，使用一維拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)（下文簡(jiǎn)稱1-D拓?fù)洌┻x擇最佳的鉚釘布置方案。該優(yōu)化模型是一個(gè)由殼體單元組成的雙層鉚接模型，初始狀態(tài)鉚釘布滿加強(qiáng)襯板區(qū)域，用一維梁?jiǎn)卧?-D Beam）模擬鉚釘。優(yōu)化目標(biāo)是通過(guò)調(diào)節(jié)鉚釘數(shù)量使鏟尖在載荷工況下的總變形量最小化，同時(shí)滿足1-D Beam單元的體積分?jǐn)?shù)限制。該優(yōu)化問(wèn)題可以用表2描述。

表2 1-D拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題描述

優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，圖中紅色圓圈表示應(yīng)當(dāng)保留的鉚接點(diǎn)，藍(lán)色圓圈表示應(yīng)當(dāng)移除的鉚接點(diǎn)。該結(jié)果顯示應(yīng)保留加強(qiáng)襯板輪廓線附近和襯板中心區(qū)域的鉚釘。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，該優(yōu)化結(jié)果最終被翻譯成如圖7所示的結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的剛度，并降低自重，對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。優(yōu)化變量包括鋼板的厚度和鉚釘直徑。使用最小厚度作為尺寸優(yōu)化的下界，不關(guān)注結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，所以嚴(yán)格說(shuō)來(lái)這是一個(gè)剛度問(wèn)題。約束挖土鏟的總應(yīng)變能不得超過(guò)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)FEM的對(duì)應(yīng)值，優(yōu)化目標(biāo)是最小化質(zhì)量。隨后的尺寸優(yōu)化結(jié)果顯示，質(zhì)量只降低了大約1%，總應(yīng)變能和基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的FEM值相等，但最大位移減少了6%。

圖6 挖土鏟1-D拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖7 挖土鏟新結(jié)構(gòu)

最后，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了一種雙層鉚接結(jié)構(gòu)的挖土鏟。在完成該結(jié)構(gòu)的詳細(xì)工程設(shè)計(jì)后（包括倒圓角等），使用靜強(qiáng)度求解器RADIOSS進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析，載荷工況和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析時(shí)的工況保持一致，分析結(jié)果如圖8所示。與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的靜強(qiáng)度分析結(jié)構(gòu)相比，應(yīng)力和剛度保持基本不變，質(zhì)量減少了38%，制造工藝性大為改善，同時(shí)生產(chǎn)成本也得到了顯著降低。

圖8 挖土鏟新設(shè)計(jì)模型的靜強(qiáng)度分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)分析，可以總結(jié)出如表3所示的結(jié)論。從表3可以看出，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力略有增加，但均在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)。但是質(zhì)量大為降低，約降低了38%，制造性得到了很好的改善，同時(shí)開(kāi)發(fā)成本也得到了降低。

表3 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)比較

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Synthesis Structural Optimization on Clay Digger of an Tree Mover

GAO Yi-jia et al

某挖樹(shù)機(jī)項(xiàng)目的挖土鏟在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段遇到了制造工藝性差和結(jié)構(gòu)超重的難題。為解決此問(wèn)題，聯(lián)合使用了拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和結(jié)構(gòu)分析等多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，最終設(shè)計(jì)出了一種相較于傳統(tǒng)同類(lèi)產(chǎn)品具有更好的可制造性和更優(yōu)異性能的全新的挖土鏟結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合該優(yōu)化過(guò)程，演示了如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中聯(lián)合使用多種優(yōu)化技術(shù)，以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的過(guò)程。

聯(lián)合優(yōu)化 一維拓?fù)?形狀優(yōu)化 尺寸優(yōu)化

The tree mover faced a substantial weight and manufacturing challenge during design phase. Topology, shape, and sizing optimization were involved to solve this problem, using various combinations and iterations. First, the paper outlines issues in realizing the potential benefits of optimization and the authors' view of how optimization fits into the structural design process. Next, An specific examples was provided to illustrate the processes used. Finally, the paper examines the downstream impact of the optimization process.

combination optimization; 1-D topology; shape optimization; size optimization

高一佳，男，1982年生，工程師，現(xiàn)從事軍用卡車(chē)及裝甲車(chē)結(jié)構(gòu)分析工作。

U469.6.02

A

1004-0226(2017)10-0088-04

2017-07-14