1）輕量化要求及原始模型

如圖所示，鋼包架需要承受中間的鋼包（有效重量為271噸）。鋼包架如圖2所示，原始結夠重92噸，需要滿足正常工作的前提下，減重15噸左右。

 

 

2）鋼包架結構參數定義

 

根據鋼包結構，進行結構分析：預設計鋼板厚度1=（50-60 ）mm，2=（20-30）mm，3=（60-80）mm，4=（40）mm ，5=（50-80）mm ，6=（20-40）mm  ，7=（20-40）mm  ，8=（30-50）mm，9=（30-40）mm

為了便于分析說明，對主框架進行結構參數定義，見下表所示。

參數名	厚度	材料	圖示	備注
A1	85	Q345B
A2	85	Q345B
A3	40	Q345B
H1	80	Q345B
H2	80	Q345B
H3	80	Q345B
H4	30	Q345B
V1	60	Q345B
V2	60	Q345B
V3	60	Q345B

 

3）模型準備（殼體生成）

采用hypermesh的出色前處理，導入鋼包架的3D模型，如下圖所示。

 

提取模型的中面。

 

 

 

4）基于DOE（實驗設計）的V1V2V3尺寸優化

采用DOE優化實驗設計方法，以鋼包結構的V1、V2和V3厚度作為設計變量，進行優化設計組合，設計出計算方案如下：

方案	V1	V2	V3
1	30	60	60
2	30	60	30
3	60	60	60
4	60	60	30
5	30	30	60
6	30	30	30
7	60	30	30
8	60	30	60

 

5）基于DOE（實驗設計）的H1H2H3H4尺寸優化

采用DOE優化實驗設計方法，以鋼包結構的H1、H2、H4和V4厚度作為設計變量，進行優化設計組合，設計出計算方案如下：

方案	H1	H1	H3	H4
1	80	40	80	30
2	60	40	40	20
3	60	40	80	20
4	80	80	80	30
5	80	40	40	20
6	80	80	40	30
7	80	80	80	20
8	60	40	40	30
9	80	40	40	30
10	60	80	40	30
11	60	40	80	30
12	60	80	40	20
13	80	80	40	20
14	80	40	80	20
15	60	80	80	30
16	60	80	80	20
17	40	40	40	20

 

6）基于DOE（實驗設計）的A1A3和A3尺寸優化

采用DOE優化實驗設計方法，以擺臂結構的A1、A2和A3厚度作為設計變量，進行優化設計組合，設計出計算方案如下：

方案	A1	A2	A3
1	50	85	40
2	50	85	30
3	85	85	40
4	85	85	30
5	50	50	40
6	50	50	30
7	85	50	30
8	85	50	40

 

7）基于材料強度的優化（高強鋼）

鋼包主結構的橫梁H1、H2、H3和H4以及立柱V1、V2和V3，在各自的調整范圍內進行調整，結構件H1、H2、V1、V2和V3是發生應力集中的地方，在5倍安全系數的載荷工況下，都存在明顯的潛在失效破壞的危險。

通過提高材料的強度，提高結構關鍵部位的抗失效和破壞作用。通過進行高強材料在關鍵結構部件的替換，可以有效防止關鍵位置的材料破壞和失效。以高強鋼作為替代材料進行設計計算。

高強鋼材料參數如下：

塑性應變	屈服應力	彈性模量	泊松比
0	519.6029	210000	0.3
0.019716	539.6785
0.039022	579.5198
0.057448	599.5532
0.119723	616.5555

 

方案	H1	H1	H3	H4	V1	V2	V3
1	40	40	40	20	30	30	30
2	80	80	80	30	60	60	60

 

8）優化結果

 

1、結構的變形剛度，主要和結構的尺寸相關。從擺臂的變形計算可以知道，擺臂的Z向變形，主要和A1、A2和A3的尺寸有關。在目前采用5倍安全系數的情況下，與液壓銷軸鏈接的位置，變形量最小的方案是3，厚度分別為85、85、40，變形量為2.622和2.510mm。

 

2、鋼包關鍵結構的應力方面，如果主結構采用Q345B材料，在目前5倍的安全系數情況下，沒有合格方案，應力主要集中在H1、V1、V2和V3，都會超過材料的屈服點，換句話說在5倍的載荷工況下，都有發生失效變形的危險。如果對主要結構更換為屈服為520的高強鋼，則在5倍的安全系數下，則存在安全設計。

 

方案	尺寸mm	材料屈服MPa	應力MPa	變形mm
優化方案	H1=80	屈服519	510
H2=40	屈服519	304
H3=40	屈服519	310
H4=20	屈服519	201
V1=40	屈服519	415
V2=40	屈服519	500
V3=40	屈服519	505
A1=85	屈服315		-2.81
A2=85	屈服315		-1.868
A3=40	屈服315		-2.643 -2.548
其余區域20	屈服315	318

 

上述方案，鋼包架（可翻轉部分）的理論總質量約為70噸，從原始結構92.19噸減少了22噸左右。