引 言

大型液壓機產(chǎn)品在機械性能上有強度和剛度兩個基本要求。傳統(tǒng)方法能夠保證性能要求，但缺乏對設(shè)計結(jié)果合理性的驗證。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAE 技術(shù)提供了強大的分析功能，可對模型進行有限元分析，從而得出任意節(jié)點的應(yīng)力、應(yīng)變情況，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局提供了科學的理論依據(jù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計指明了方向。

1 上梁受力分析

某大型液壓機三維實體模型如圖 1 所示。該液壓機采用三梁八柱預(yù)應(yīng)力拉桿組合結(jié)構(gòu)，由液壓缸、拉桿、上梁、立柱、滑塊、移動工作臺、工作臺等組成。本文以上橫梁為例，對原結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力、變形分析，并通過拓撲優(yōu)化理念進行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

圖1 液壓機三維實體模型

上橫梁由大梁（中間）和小梁（兩側(cè)）組成，橫梁結(jié)構(gòu)三維示意如圖 2 所示。上橫梁與立柱用拉桿聯(lián)接并可靠定位，以確保整機精度。

上梁為鋼板焊接形式，上表面與立柱結(jié)合面處受全約束；

下表面與每個液壓缸結(jié)合面部位受豎直向上工作壓力；下表面與立柱結(jié)合面處受預(yù)緊力；上梁本身受重力作用。極限工況分別為：每個液壓缸受力為 800 t，大梁每個立柱處受拉桿力為 375 t，小梁每個立柱處受力為115 t。

圖 2 橫梁結(jié)構(gòu)三維示意圖

2 原結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能

依據(jù)極限工況，施加邊界條件和載荷，大梁、小梁位移云圖如圖 3 所示，大梁、小梁應(yīng)力云圖如圖 4 所示，橫梁靜力求解結(jié)果見表 1 所列。

圖 3 大梁、小梁位移云圖

圖 4 大梁、小梁應(yīng)力云圖

3 輕量化設(shè)計

3.1 優(yōu)化目標

輕量化設(shè)計的最終目的是減重，原則是保證減重后結(jié)構(gòu)件的強度、剛度不降低。

3.2 拓撲優(yōu)化

以上橫梁受到極限載荷時的加權(quán)靜態(tài)應(yīng)變能最小為優(yōu)化目標，進行橫梁結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。邊界條件及載荷加載如圖 5 所示。

圖 5邊界條件及載荷加載

根據(jù)上橫梁所有可能的受力情況，對橫梁結(jié)構(gòu)進行綜合載荷結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，所得結(jié)果如圖 6所示。

（a）（b）

圖 6 綜合目標結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

4 改進結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 方案設(shè)計

依據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，對整個模型內(nèi)部筋板重新布置（外 形尺寸保持不變），增加由下表面液壓缸至上表面約束部位斜 筋。液壓缸部位圓筒筋板厚度取 60 mm，斜筋厚度取 50 mm， 其余筋板均取 40 mm。具體模型方案如圖 7 所示。

4.2 新舊方案對比

改進方案與原方案筋板布置比較如圖 8 所示，改進方案 位移求解結(jié)果如圖9所示，改進方案應(yīng)力求解結(jié)果如圖10所示。

圖 8 改進方案與原方案筋板布置比較

圖 9 改進方案位移求解結(jié)果

圖10 改進方案應(yīng)力求解結(jié)果

5 結(jié) 語

通過對設(shè)計方案與原始方案的比較可知，本文改進方案可保證大型液壓機上橫梁的基本性能，同時減重約 16.75%， 結(jié)構(gòu)受力特性良好，極限工況下最大變形和最大應(yīng)力都有顯著下降，減小了橫梁質(zhì)量、整體應(yīng)力及變形，滿足了輕量化要求。