基于ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化的泥門插銷輕量化設(shè)計(jì)研究

潘旭皓

（中交上海航道裝備工業(yè)有限公司，上海 200120）

泥門啟閉裝置作為耙吸挖泥船上的核心疏浚裝備之一，起到拋泥、卸泥的作用，是耙吸挖泥船泥艙段的核心組成部分。一套泥門啟閉裝置的好壞直接決定了整船的疏浚性能，而泥門插銷在水上調(diào)遣以及突發(fā)天氣影響時(shí)常用來固定泥門啟閉裝置，防止泥門啟閉裝置松動(dòng)，保障整個(gè)泥艙系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。傳統(tǒng)的泥門插銷形式往往為楔形結(jié)構(gòu)，整體鑄造，這種形式的泥門插銷強(qiáng)度較高且變形量較小，適合水上調(diào)遣時(shí)使用，然而其重量往往大于150kg，過大的重量常常導(dǎo)致其操作較為困難。隨著泥艙容量的增大，泥門啟閉裝置的結(jié)構(gòu)也逐漸增大，泥門插銷亟待進(jìn)行輕量化改善，提高其可操作性能。

自21世紀(jì)初以來，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念得到廣泛的運(yùn)用。一方面，由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以最大限度的減少材料的使用，減少生產(chǎn)成本以及對(duì)環(huán)境的影響；另一方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以優(yōu)化材料的分布，最大限度地提高零件的性能。拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種形式，拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)實(shí)際的工況、約束以及性能要求等因素，對(duì)指定零件的材料分布進(jìn)行優(yōu)化的方法，通過拓?fù)鋬?yōu)化可以得到最優(yōu)的傳力路徑，以及滿足規(guī)定的減少材料量的同時(shí)最大化結(jié)構(gòu)剛度的結(jié)構(gòu)形式。

本文基于ANSYS仿真計(jì)算平臺(tái)，將泥門插銷作為研究對(duì)象，綜合考慮輕量化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及變形量，旨在得到一種較優(yōu)的泥門插銷形式，為未來泥門插銷的設(shè)計(jì)提供參考，為后續(xù)的疏浚裝備輕量化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。此外，輕量化設(shè)計(jì)在節(jié)省材料的同時(shí)也有助于環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排，響應(yīng) “碳達(dá)峰”“碳中和”政策。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 泥門插銷結(jié)構(gòu)

泥門插銷的結(jié)構(gòu)類似一種楔形結(jié)構(gòu)，其中，2個(gè)面為梯形，其余4個(gè)面為長方形，該結(jié)構(gòu)的大致外形如圖1所示。該結(jié)構(gòu)上的吊耳、吊環(huán)等結(jié)構(gòu)均有助于現(xiàn)場人員操作，便于泥門插銷更好地安放到指定位置。

圖1 泥門插銷結(jié)構(gòu)圖

1.2 泥門插銷受力分析

泥門插銷是船舶水上調(diào)遣時(shí)的必備鎖緊裝備。其鎖緊后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 泥門插銷鎖緊狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，泥門插銷在鎖緊時(shí)主要的受力為泥門裝置（除液壓油缸）的重力、泥艙內(nèi)水體對(duì)泥門的壓力以及海水作用在泥門上的浮力的合力。泥門插銷的上端受力面積約占泥門插銷上表面面積的54%。

2 研究方法

2.1 強(qiáng)度計(jì)算理論

本文主要采用線性靜力學(xué)分析方法，計(jì)算穩(wěn)定載荷條件下對(duì)泥門插銷結(jié)構(gòu)的影響。此處由于剛體本身的性質(zhì)，只考慮重力的影響，忽略其他慣性和阻尼效應(yīng)的影響。通過靜力學(xué)分析可以得到由于泥門裝置自身重力、泥艙內(nèi)的水壓力以及船底的浮力綜合作用下產(chǎn)生的泥門插銷結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變以及變形量。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化理論

拓?fù)鋬?yōu)化屬于外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是一種分析尋找在載荷作用下最佳材料分布方案的手段。目前，本文主要采用“最大剛度”設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，確保剛度、材料分布以及變形量都處于一個(gè)合理的范圍內(nèi)。該方法是一種在定義域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，通過將定義域劃分成多個(gè)子區(qū)域，借助ansys靜力學(xué)分析軟件得到的強(qiáng)度分析結(jié)果，按照相應(yīng)的優(yōu)化策略（本文以減少泥門插銷質(zhì)量為目標(biāo)）從子區(qū)域中適當(dāng)刪減一定的網(wǎng)格，然后通過保留下來的網(wǎng)格進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過多次迭代尋找在給定優(yōu)化策略下的最優(yōu)解。

3 模型設(shè)置

3.1 網(wǎng)格劃分

本文所定義的物理環(huán)境為結(jié)構(gòu)分析（Mechanical），每個(gè)網(wǎng)格單元的尺寸控制在0.5mm，網(wǎng)格總體控制采用自適應(yīng)網(wǎng)格，網(wǎng)格整體質(zhì)量控制在0.2以上。計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為171325，網(wǎng)格單元數(shù)為108631。

圖3 泥門插銷網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2 強(qiáng)度計(jì)算邊界條件

本文為線性靜力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算，在材料定義時(shí)主要考慮泊松比和楊氏模量。此處，泥門插銷的材料設(shè)置如表1所示。

表1 泥門插銷材料設(shè)置

本文坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，只有一個(gè)體，不考慮各個(gè)面之間的接觸約束以及交界面的影響；考慮重力對(duì)泥門插銷的影響，重力加速度方向垂直于泥門插銷的下底面，大小為9.8m/s2；外界對(duì)泥門插銷的作用力垂直作用在泥門插銷的上表面，大小此處假定為750kN。由于下底面固定在外界的基座上，此處下底面設(shè)置為固定約束，不考慮下底面的變形和位移。最終的邊界條件如圖4所示。

圖4 強(qiáng)度計(jì)算邊界條件

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置

本文采用基于密度的拓?fù)鋬?yōu)化方法，考慮到設(shè)計(jì)的合理性，上下表面須保持現(xiàn)有造型，即上下表面不進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，只考慮中間部分的拓?fù)鋬?yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)為最小柔度（最大剛度）。響應(yīng)約束為保留質(zhì)量，本文主要進(jìn)行了保留95%、90%、85%、80%、75%、70%、60%、50%、40%質(zhì)量（仿真輸入條件）的計(jì)算，綜合評(píng)估最大應(yīng)力、最大變形量以及材料去除量，得到最優(yōu)目標(biāo)。

4 結(jié)果分析

為了有效評(píng)估泥門插銷的優(yōu)化情況，本文通過采用有限元分析計(jì)算軟件，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化方法，分析了試塊最大應(yīng)力σ、試塊最大變形量X與材料去除量R之間的關(guān)系。最終計(jì)算結(jié)果如下。

4.1 材料拓?fù)鋬?yōu)化過程結(jié)果分析

圖5是采用有限元軟件仿真計(jì)算得到的泥門插銷的拓?fù)鋬?yōu)化演變過程圖，分別計(jì)算了材料剩余量R從5%～60%間的結(jié)構(gòu)變化過程。從圖5可以看出，泥門插銷中間部分區(qū)域是一個(gè)受力較小或者說受力可以被分?jǐn)偟舻奈恢谩Ｍ瑯?，包括一些邊界位置也是受力較小或者受力容易被均攤到其他地方的位置。從最終的樣式來看，泥門插銷逐漸被優(yōu)化成拱橋狀，這種拱形設(shè)計(jì)一方面節(jié)省了材料，操作起來更加輕便快捷，另一方面也更加簡潔美觀，更加符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理念。

圖5 插銷拓?fù)鋬?yōu)化圖

4.2 材料去除量與最大應(yīng)力之間的關(guān)系

如圖6所示，隨著材料去除量的增加，試塊的最大應(yīng)力逐漸增大，這也表明了隨著材料去除量的增加，泥門插銷的強(qiáng)度是逐漸下降的，但是總體還是在許用應(yīng)力以下，在安全范圍以內(nèi)。此外，從圖6上可以看出，材料增加的最大應(yīng)力的變化不是線性增長，材料去除量R從0%變化到22%時(shí)，斜率較為平緩，從22%變化到35%基本為水平線，從35%之后曲線斜率驟然增大。此處將這種現(xiàn)象定義為一個(gè)量變到質(zhì)變的過程，從0%～22%為低線性增長段，22%～35%為過渡段，35%之后為高線性增長段，當(dāng)進(jìn)入高線性增長段后，材料的強(qiáng)度極易超過許用應(yīng)力，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)盡量不把最優(yōu)點(diǎn)放置在高線性增長段。

圖6 試塊最大應(yīng)力與材料去除量關(guān)系圖

4.3 材料去除量與最大變形量之間的關(guān)系

如圖7所示，隨著材料去除量的增加，試塊的變形量逐漸增大，而且當(dāng)材料去除量超過35%時(shí)，試塊的變形量陡增且變形量相較于原始試塊增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，本文認(rèn)為當(dāng)材料去除量小于35%時(shí)試塊處于小變形區(qū)域，而當(dāng)材料去除量不小于35%時(shí)材料處于大變形區(qū)域，而小變形區(qū)域，本文認(rèn)為是一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化的安全區(qū)域，超過這個(gè)區(qū)域?qū)τ谡麄€(gè)裝備的安全性能存在風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 試塊最大變形量與材料去除量關(guān)系圖

4.4 總結(jié)

綜上所述，當(dāng)材料去除量在22%～35%之間，最大變形量和最大應(yīng)力均處于安全范圍，而且由于X-R曲線中22%～30%這段的斜率小于30%～35%這段的斜率，б-R曲線中22%～30%這段的斜率基本和30%～35%這段的斜率相似。所以，本文認(rèn)為22%～30%這段是最適合實(shí)際運(yùn)用的，而且材料去除量越大越好，所以本文認(rèn)為，30%的材料去除量對(duì)于泥門插銷來說是最優(yōu)的。

5 結(jié)語

泥門插銷作為泥門裝置的關(guān)鍵裝備之一，其結(jié)構(gòu)存在較大的優(yōu)化空間，本文通過拓?fù)鋬?yōu)化理論將泥門插銷的重量減少了30%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泥門插銷的輕量化設(shè)計(jì)。一方面，這種設(shè)計(jì)切合時(shí)下低碳工業(yè)的愿景；另一方面，讓該裝置人工操作起來更加便捷。

隨著如今耙吸挖泥船船型、艙容的不斷增大，疏浚裝備也繼續(xù)增大其規(guī)格，但是一味增加規(guī)格重量容易導(dǎo)致資源材料的分配不合理，本文希望通過針對(duì)泥門插銷的輕量化設(shè)計(jì)為后續(xù)的其他疏浚裝備的輕量化設(shè)計(jì)提供思路，為未來的現(xiàn)代化耙吸挖泥船的建造工作提供一定的理論支撐。