摘 要：本文應(yīng)用 HyperWorks 軟件建立某裝載機(jī)車架 CAE 模型,通過(guò) RADIOSS 計(jì)算求解,獲得了 車架的應(yīng)力云圖,找到了車架主要受力危險(xiǎn)區(qū)域。通過(guò)應(yīng)用 OptiStruct 對(duì)該車架關(guān)鍵零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到了更加合理的結(jié)構(gòu)，大大提高了車架的剛度和強(qiáng)度。 

關(guān)鍵詞: HyperWorks 車架 拓?fù)鋬?yōu)化 強(qiáng)度

1 概述 

      裝載機(jī)是一種用途較廣的施工機(jī)械，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水電、礦山及國(guó)防工程中，對(duì)加快工程建設(shè)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工程質(zhì)量、降低工程成本等方面發(fā)揮著重要的作用。 

      車架作為裝載機(jī)的重要組成部分，幾乎承載著自身及外部的所有載荷，其可靠性直接決定裝載 機(jī)的使用壽命，CAE分析是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容，對(duì)裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件系統(tǒng)各部件進(jìn)行CAE分析， 研究其在各種工況下的變形和應(yīng)力情況，繼而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更趨完善。因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)件系統(tǒng)的CAE分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)裝載機(jī)設(shè)計(jì)具有重要作用。 

      本文以公司某款裝載機(jī)前車架為研究對(duì)象，在HyperMesh中建立了整機(jī)有限元網(wǎng)格模型，通過(guò)RADIOSS求解，在HyperView中得到了車架在某種極限工況下的應(yīng)力及變形云圖，進(jìn)而確定了車架的危險(xiǎn)受力區(qū)域。通過(guò) OptiStruct對(duì)該車架關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到了更加合理的車架結(jié)構(gòu)，大大提高了車架的可靠性。 

2 原車架結(jié)構(gòu)分析 

2.1 有限元模型 

      根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的幾何模型,采用四面體單元 Tet10 對(duì)原設(shè)計(jì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。取單元尺寸為5mm，對(duì)較為重要的受力區(qū)域進(jìn)行必要細(xì)化。最終整個(gè)車架模型的單元數(shù)為908822，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1621676，有限元模型如圖 1 所示。

          

2.2 材料參數(shù) 

      車架所用的材料為鋼材，具體參數(shù)如表 1 所示

     

2.3 計(jì)算結(jié)果 

       通過(guò)RADIOSS進(jìn)行求解，車架的最大應(yīng)力553MPa，且最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在焊縫位置，非常容易發(fā)生疲勞破壞，因此必須對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體應(yīng)力云圖和變形云圖如圖2和圖3。

      

3 車架優(yōu)化分析 

      通過(guò)上述分析，可以確認(rèn)必須對(duì)原設(shè)計(jì)車架進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以降低主要受力區(qū)域的應(yīng)力水平， 提高車架的可靠性。通過(guò)對(duì)上述分析結(jié)果的系統(tǒng)研究結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，決定對(duì)車架后連接板進(jìn)行 拓?fù)鋬?yōu)化分析，以確定更加合理的后連接板形狀，進(jìn)而提高車架強(qiáng)度和剛度。優(yōu)化求解時(shí)，為了降低求解時(shí)間，前車架采用四邊形單元進(jìn)行求解。具體方案如圖4所示。

            

3.1 優(yōu)化變量 

      為了得到后連接板更合理的結(jié)構(gòu)，在保證原設(shè)計(jì)車架各零部件基本的裝配關(guān)系的前提下，將原 來(lái)的后連接板用一塊理想化的模板進(jìn)行代替，將其作為設(shè)計(jì)空間，如圖 4 所示。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化分析，找到后連接板更合理的材料分布。 

3.2 優(yōu)化目標(biāo) 

      以整體車架應(yīng)變能最小為優(yōu)化目標(biāo)。 

3.3 優(yōu)化約束 

      從理論上講，后連接板沒(méi)有去除材料時(shí)，整個(gè)車架的應(yīng)變能最小。因此，必須對(duì)優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行約束。這里以體積比作為優(yōu)化約束，設(shè)置體積比上限為0.5。 

3.4 優(yōu)化結(jié)果 

      優(yōu)化分析過(guò)程采用的方法為密度法。具體優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

           

4 優(yōu)化后車架結(jié)構(gòu)分析 

              根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，結(jié)合三維建模軟件對(duì)優(yōu)化后的車架模型進(jìn)行修改，改進(jìn)后的模型如圖 6 所 示。

           

      車架改進(jìn)后最大應(yīng)力由原 553MPa 降低到 395MPa，最大應(yīng)力由關(guān)鍵焊縫位置轉(zhuǎn)移到母材上， 如圖 7 所示。由于是在某極限工況下進(jìn)行分析 ，上述應(yīng)力水平已經(jīng)滿足車架強(qiáng)度要求。另外，車架優(yōu)化后最大變形由原來(lái)的 2.89mm 減小到 2.69mm，如圖 8 所示。

           

5 結(jié)論 

      本文應(yīng)用 HyperWorks 軟件對(duì)某款裝載機(jī)車架進(jìn)行了系統(tǒng)建模、分析、優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算分析找到了原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)。通過(guò)優(yōu)化分析，得到了更加合理的車架結(jié)構(gòu)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力大幅降低，關(guān)鍵焊縫位置的應(yīng)力集中消失，大大提高了車架的可靠性。另外，優(yōu)化后車架的變形也有所 減小，說(shuō)明剛度也得到了加強(qiáng)。通過(guò)此分析項(xiàng)目，筆者充分體驗(yàn)到了HyperWorks軟件在CAE建模、分析、優(yōu)化上的強(qiáng)大功能。