45MN 快鍛壓機活動橫梁結構拓撲優化研究

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2019年11月19日 10:30

摘要：以 45MN 快鍛壓機活動橫梁為優化結構，利用 solidThinking Inspire 拓撲優化分析軟件，以活動橫梁整體剛度最大為優化目標，以設計空間的質量降低 65%為約束函數，建立活動橫梁的優化分析模型，利用先進的 OptiStruct 優化求解器進行優化求解，得到活動橫梁的最優設計方案。并對最優設計方案進行 3D 模型再造及設計強度分析，驗證活動橫梁拓撲優化分析結果的可靠性。

關鍵字：快鍛壓機活動橫梁 solidThinking Inspire 拓撲優化

1 前言

大型鍛壓機作為一種重要的金屬壓力加工設備，其在國民經濟各部門獲得了廣泛的應用。鍛壓機大都采用三梁（上梁、下梁和活動橫梁）的結構型式，其主要結構一般由鑄鋼澆鑄而成。活動橫梁一般承受液壓缸柱塞的輸出力及砧子壓縮工件的反力作用，是鍛壓機的主要受力部件，同時，活動橫梁的剛度將直接影響鍛壓機的成型精度。因此，在鍛壓機的設計中，如何做到使活動橫梁的剛度強度達到設計要求就成了大型鍛壓機設計的關鍵技術之一。采用現代設計方法對活動橫梁進行結構優化設計，對提高使用壽命、成型精度、增加經濟效益具有重要意義[1]。文獻[2-6]研究了機架、上橫梁、組合式下橫梁的結構有限元強度剛度分析，并注明了分析中的關鍵步驟和注意事項。文獻[7]利用有限元分析的方法進行強度校核-結構改進-再校核-再改進的方式完成了上橫梁結構改進設計。目前尚無活動橫梁概念優化設計方面研究的報道。

以往在對鍛壓機主要結構件進行“優化設計”，主要依靠人工反復“修正設計參數-再分析”的方法來尋找較優的設計方案，不僅過程冗長，而且結果受人工干預的因素較多。本文將基于 solidThinking Inspire的拓撲優化方法，提出活動橫梁的概念設計。以模型整體剛度最大為優化目標，同時使模型的強度滿足設計要求，改變傳統經驗設計。通過對 45MN 快鍛壓機活動橫梁的設計驗證，取得了明顯的經濟效益，而且極大的提高了設計的效率和改善了產品結構的合理性。

2 活動橫梁的分析

活動橫梁與工作缸的柱塞相連以傳遞液壓機的作用力，左右兩邊安裝有導向套，以立柱為往復運動的導向，下表面安裝和固定模具或砧子，因此活動橫梁應有足夠的承壓能力，同時活動橫梁還應具有一定的剛度與抗彎能力。活動橫梁的安裝布置形式如圖 1 所示。立柱通過上下橫梁組成的機架部件安裝于地面上，所以可以認為是相對固定的部分，活動橫梁通過導向套與立柱相連，所以可以將活動橫梁的受力及約束狀態用如圖 2 所示表達。

圖 1 活動橫梁裝配示意圖 1-活動橫梁；2-立柱；3-導套

圖 2 活動橫梁受力及約束狀態

3 活動橫梁的拓撲優化分析

3.1 solidThinking Inspire 軟件介紹

solidThinking Inspire 是數字產品開發中的一項具有開拓性的成果，它在一個友好易用的軟件環境中提供了仿真驅動設計的工具。它應用于設計的早期，幫助用戶生成和探索高效的結構基礎。 solidThinking Inspire 采用美國 Altair 公司先進的 OptiStruct 優化求解器，根據給定的設計空間、材料屬性及受力需求生成理想的形狀，根據軟件生成的結果進行再設計。應用 Inspire 進行前期概念設計，既能提升產品的結構質量，同時又奠定了優越的結構基礎，從而提升了整個設計流程的效率。

3.2 活動橫梁拓撲優化分析模型的建立

用于拓撲優化分析的活動橫梁模型需要滿足以下條件：拓撲優化分析的前提要保證活動橫梁的安裝及與液壓缸、上砧總成的配合安裝，所以按照設計的總體尺寸大小，首先確定預留安裝位置的大小及尺寸，將剩下的部分定義為設計空間，如圖 3 所示。

圖 3 活動橫梁拓撲優化分析模型的建立及約束的施加

3.3 拓撲優化分析及模型驗證分析用材料及屬性

拓撲優化分析中所使用的材料為 ZG270-500，其材料屬性如表一所示：

表一 ZG270-500 材料的材料屬性（SI）

3.4 拓撲優化分析的單位制

在 solidThinking Inspire 軟件中，存在六種單位制可供選擇，本次優化分析選擇目前工程上使用較多的一種單位制mm-kg-s，具體的單位制如表二所示：

表二拓撲優化分析的單位制選擇

3.5 拓撲優化分析的約束條件

活動橫梁的約束條件的原理如圖 2 所示，所以將活動橫梁分析模型的安裝導向套的部分施加 x、 z 方向的約束，釋放 y 方向約束。活動橫梁與上砧總成連接的部分提供反作用力，屬于位移邊界條件，所以施加 y 方向的約束，釋放 x、z 方向約束。活動橫梁上部安裝有三個不同的油缸，按照極限工況，中間液壓缸輸出 29MN 作用力，兩端側缸各輸出 8MN 作用力。活動橫梁拓撲優化分析的約束條件的施加如圖 3 所示。

3.6 拓撲優化分析的形狀控制

從圖 1 所示的活動橫梁模型示意圖中可以看出，活動橫梁滿足兩個方向上的對稱條件，所以激活豎直與左右兩個對稱平面。在水平面上施加一個拔模方向的控制，在分模平面上可以按照受力情況局部控制材料的增減。形狀控制如圖 3 所示。

3.7 拓撲優化分析選項

在 Run Optimization 窗口，選擇 Mass target（質量目標）為“% of Total Design Space Volume （總設計空間體積的百分比）”，并選擇百分比為 35%。在 Thickness control（厚度控制）選項中，控制 Minimum（最小厚度）為 50mm，控制 Maximum（最大厚度）為 300mm。在 Apply gravity （施加重力加速度）選項中，單擊 Yes，控制加速度方向為-y，即考慮自身重力的影響。

3.8 活動橫梁的拓撲優化分析的結果

在 solidThinking Inspire 軟件中運行拓撲優化分析計算后，得到了如圖 4 所示的活動橫梁的優化分析結果。按照圖 3 定義的設計空間的材料大幅度減少，最終形成圖 4 所示的 W 形狀，說明活動橫梁在整個受壓、受彎的使用工況下，W 形狀的材料是必須存在的，同時保證了整體剛度最大。活動橫梁拓撲優化的結果顛覆了傳統的設計理念。

圖 4 活動橫梁的拓撲優化分析結果

4 優化分析模型的再造與強度剛度分析

4.1 優化分析模型的再造完成圖 4 所示的拓撲優化分析后，需要將拓撲優化分析后的結果形成的拓撲優化形狀在 3D 軟件中進行模型再造。模型再造過程中，一是需要兼顧拓撲優化分析的結果，二是要滿足設計、制造的標準，最后還要保證設計的美觀，活動橫梁拓撲優化分析結果的模型再造如圖 5 所示。在 SolidWorks 軟件中完成 3D 再造模型的建立，首先可以確定優化分析后的再造模型的質量較拓撲優化分析之前是否有所減低；其次為進行拓撲優化分析后的模型的強度分析提供 3D 模型基礎。

圖 5 活動橫梁的拓撲優化分析后的模型再造

4.2 優化分析再造模型的前度分析

活動橫梁拓撲優化分析后的結果雖然保證了最大剛度的優化目標，但是優化后的活動橫梁是否滿足設計的強度要求還需要進行分析判斷。所以將在 SW 中建立的 3D 模型導入到 HyperMesh 軟件中進行網格劃分，保證強度分析中需要的優質網格。然后按照拓撲優化分析建模的相同約束條件進行受力及邊界條件的處理，如圖 6 所示。計算后得到的分析結果如圖 7 所示，最大等效應力為 122.5MPa，設計中選擇的材料為 ZG270-500，屈服極限為 270MPa，滿足了設計中要求的最低安全系數為 2 的要求。