*本文投稿自工程機械制造行業用戶張俊

車架是起重機三大結構件之一，其剛度、強度性能對起重機的吊載性能、可靠性、安全性有著至關重要的作用。大量研究表面，汽車燃油消耗的50%是由整車重量引起的，整車重量每降低10%，燃油經濟性可提高3.8%。輕量化設計是指在保證其基本性能的情況下，盡可能提高材料利用率，將重量做到最低，這是降低成本節約能耗的重要手段之一。

本文通過 HyperMesh 有限元軟件的 OptiStrcut 優化模塊，對某汽車起重機車架進行截面尺寸、板厚優化，最終重量降低了253Kg，預計單臺節約成本1200元。

1 車架輕量化設計理論

優化理論

輕量化設計通常包含新型材料的開發和自身結構的優化這兩種路徑，本文則是通過第二種路徑來實現車架的輕量化設計。本文的結構優化設計指的是:基于 OptiStruct 內置的可行方向法（MFD），對主體焊接總成的厚度、尺寸進行最佳組合設計的理論與方法。這種設計思想的具體實現方式是:基于一定的程序算法，在設計可行域內，逼近能夠滿足預期設計目標的、最符合設計要求的狀態。由于此內置算法基于的是梯度優化算法，采用這種方案通常不一定能在全局找到最優的一個解，但是能得到一個比之前更優的設計，在工程上具有很重要的實際意義。此優化算法具有以下特征：

1. 自動調整設計變量逐漸趨于最優區域，避免了設計人員以經驗注意為驅動來進行設計的思路；
2. 基于梯度運算的優化算法，大大提高了計算效率；
3. 可根據實際情況，設置多個合理的初值點，使得優化結果逐漸趨于全局最優解；
4. 可通過設置各個工況“權重”的方式實現多目標的優化設計。

操作步驟

優化過程包含3個關鍵要素，即設計變量、約束條件、目標函數。設計變量指的是一些影響結構性能的參數如厚度、尺寸、位置、角度等，約束條件指的是對設計變量及結構某些性能的實際限制，目標函數指的是某些性能的最優設計。設計變量在滿足約束條件的設計空間內（如尺寸、變形），目標函數在這個設計域內得到最優結果，比如質量最小，其數學表達式模型如下：

• 設計變量： (i=1,2,3,…,n)
• 不等式約束： i=1,2,3, …,p
• 等式約束：j=1,2,3, …,q
• 目標函數：min(或max)

2  有限元模型

模型說明

車架截面尺寸650×1100mm，支腿截面尺寸380×250mm;約定車架中回中心為坐標原點，正后方為+X,正右方為+Y，正上方為+Z。車架主體采用薄板件焊接而成，因此采用殼單元來模擬，焊縫連接為將殼單元作延申相交處理，中回座圈采用六面體模擬，支腿搭接處采用MPC滑移面進行模擬，有限元模型見圖1：

圖1 車架有限元模型

材料

材料許用應力包含拉伸、壓縮、彎曲的許用應力，具體參考GB3811-2008以下兩種情況進行計算：

（1）對于屈強比σs/σb<0.7，許用應力為鋼材屈服點σs除以強度安全系數，具體見下表：

表1 材料許用應力

2) 對于σs/σb≥0.7，基本許用應力為（0.35*σb+0.5*σs）/n，式中：

• σb鋼材抗拉強度；
• σs/鋼材屈服強度；
• n與載荷類別相應的載荷系數。

車架支腿主體采用HG785鋼，其屈強比σs/σb≥0.7，因此按照第二種方式計算其許用應力，其相關參數如下表所示：

表2 材料參數

約束條件

左前支腿底部約束XZ自由度，右前支腿底部約束XYZ自由度，左后支腿底部約束Z自由度，右后支腿底部約束YZ自由度。

工況

取對車架結構影響最惡劣工況——1.25倍最大起重力矩吊載，分別在前、后、左、右、左前、右前、左后、右后8個方位進行加載，將上車重量（轉臺、大臂、吊重）、下車重量（車橋、輪胎、駕駛室、車架等）轉換到中回中心的垂直力及力矩，具體如下表所示：

表3 等效載荷

3

優化過程

整體思路

車架結構輕量化的基本路線為：使用 HyperMesh 的 Optimization 模塊，采用可行方向算法（MFD），在某成熟車型基礎上，在保證整體剛度與之前相當的前提下，以主體結構板厚、車架長寬尺寸為設計變量進行優化設計，具體如下：

• 設計變量：車架支腿主體板厚(±30%)、車架寬度(±25mm)、車架高度(±25mm)
• 約束條件：支腿平均變形不低于原車、車架中心點變形不低于原車、車架扭轉角不低于原車；
• 目標函數：質量最小。

車架界面尺寸參數創建

使用 Hypermorph 對車架分別進行高度方向和寬度方向拉伸25mm，然后創建形狀尺寸設計變量，如圖2所示：

圖2 形狀尺寸變量

主體結構板厚參數創建

考慮板厚取整數，要先創建離散的變量值，然后創建主要結構件的板厚尺寸設計變量，如圖3和圖4所示：

圖3 離散尺寸

圖4 板厚尺寸變量

響應創建

分別創建整體質量響應及相關節點位移響應，如圖5和圖6所示：

圖5 質量響應

圖6 位移響應

約束及目標創建

創建位移約束（對應滿足扭轉角要求），創建目標函數為整體質量最小，如圖7和圖8所示：

圖7 約束（位移）

圖8 目標函數（質量最小）

仿真結果展示

優化后，主要結構變化示意圖如圖9所示：

圖9 優化后結構變化

部分板厚優化結果如下表所示：

表4 優化結果

優化前后側向吊載剛度對比如下表所示：

表5 優化前后側向吊載剛度比較

優化后應力滿足設計要求，如圖10所示：

圖10 應力云圖（側方吊載）

4

試驗驗證

吊載應力驗證

在1.25倍最大起重力矩工況下，測出相應危險點應力，測試點見圖11：

圖11 應力測試點

仿真值與測試值對比見表6：

應力均未超過材料許用應力460MPa,仿真值與實測值基本相差不大。

可靠性驗證

在疲勞臺架試驗機上，固定車架中回位置，模擬各個工況下，吊起重物旋轉一圈為一個循環，在四個支腿處施加相應支反力，20000次內不出現開裂可判斷合格，具體加載工況如下表所示：

表7 耐久性試驗工況

圖12 可靠性試驗

如圖12所示為20000次可靠性試驗后分別追加7200、7800、9700次最大起重力矩工況的母材開裂情況。共計完成疲勞加載24700次，可靠性試驗在試驗大綱評審合格判定次數20000次循環范圍內未出現關鍵焊縫開裂，車架試驗合格。

5

結論

本文應用 HyperWorks 中的 OptiStruct 對起重機車架進行了輕量化設計，調整車架截面尺寸和部分板件的厚度。經過優化，車架主焊接結構減重253KG(5%)，剛度性能比優化前略有提升，應力滿足要求，吊載應力測試試驗及可靠性試驗均滿足要求。

A

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