基于SolidThinking Inspire的挖掘機動臂連接器拓撲優化.docx

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基于solidThinking Inspire的挖掘機

動臂連接器拓撲優化

史曉寧

摘 要：建立某款挖掘機動臂連接器有限元分析模型，運用SolidThinking Inspire對其進行求解分析，獲得應力云圖并找出危險區域；對結構進行拓撲優化，達到減重目標,對產品設計具有重要指導意義。

關鍵詞:  solidThinking  挖掘機  拓撲優化

1、概述

solidThinking是面向設計人員的優化仿真平臺。其拓撲優化工具Inspire操作便捷，流程清晰，界面簡潔，易學易用，能夠幫助設計人員快速獲得滿足性能且輕量化的結構，非常適合產品概念設計階段對產品進行優化提升。

某款小型挖掘機裝配有動臂連接器。連接器是一種針對專門機型的工作需求而設計制造工程機械連接裝置，一般采用鑄造工藝制造。起到連接挖掘機動臂、車架，傳遞負載及自由度的作用。因此必須保證動臂連接器在嚴苛工況下剛度、強度等可靠性要求。

當前，拓撲優化技術大量應用到產品設計流程中，實現產品在設計階段的強度及輕量化需求。本文以動臂連接器為分析對象，運用solidThinking Inspire工具，以Density密度法為理論依據進行拓撲優化^[1]，并對改進結構進行強度分析，結果表明優化結構較原結構應力水平一致且質量大幅減輕。

2、結構強度分析

2.1建立模型

 

                                                                     加載模型

圖示為連接器毛坯外形，優化前首先對結構進行強度分析，根據結果定義優化設計要素。

定義正載與偏載兩個工況，提取各鉸點位置載荷，模型加載如下表。

	正載工況	偏載工況
F（N）	M（N.mm）	F（N）	M（N.mm）
1	19355.46	212543	32567.31	273000
2	20397.1	240857	16694.02	352132
3	56353.39	834717	33535.73	523952
4	51397.49	646653	17265.99	552446
5	60165.75	1348487	17265.99	214818
6	116369.4	1382888	17265.99	434589
7	44038.28	3116392	26331.31	2283031
8	80266.53	2389068	26324.17	2281942
9	52591.45	1539703	33943.63	445535
10	101283.8	1531198	33960.08	446162

2.2分析結果

運行慣性釋放分析，得到以下結果

 

                                                                   位移云圖 

由位移及應力云圖可知，最大位移0.17mm，最大等效應力179MPa，最小安全系數1.9，滿足強度要求。連接器重量115.6kg，在此基礎上進行減重優化。

3、拓撲優化分析

3.1拓撲優化數學模型

采用變密度法進行拓撲優化分析。以結構變形能最小為目標，外支架設計空間內單元密度為設計變量，拓撲優化數學模型如下^[2]。

3.1設計空間

受裝配空間限制，保留部分結構不做優化。使用Inspire工具快速分離銷軸孔，設置其他區域為設計空間。約束及載荷與強度分析一致。

3.2形狀控制

約束條件：設計空間質量上限40%

優化目標：連接器柔度最小

設置設計空間為左右對稱形狀控制。

3.2優化結果

選擇目標為最大剛度，質量上限為40%。在Inspire中運行拓撲優化得到下圖結果。適當增加材料，對結果進行曲面自適應操作，得到如下結構。

                                                                 質量上限40%

3.3優化結果校核

在優化模塊中直接對優化結果進行分析校核，最大位移0.2mm，最大等效應力235MPa，最小安全系數1.5，滿足強度要求。該結構連接器質量為60.2kg，減重約52%。

                                                                         位移云圖                             

應力云圖

對結果進行幾何重構，得到如下結構。

   

  

4、結論

本文通過對動臂連接器進行強度分析，明確對了結構傳力路徑，確定了優化參數；運用solidThinking Inspire工具，以Density密度法為理論依據進行拓撲優化，獲得了以減重為優化目標的優化結果，在保證結構剛度與強度的情況下，產品減重約50%。所有分析優化過程均在solidThinking Inspire中完成，體現了該軟件強大的分析優化能力及良好的軟件一致性。運用solidThinking，能夠最大限度的提升設計效率，降低品開發成本，縮短研發周期，對產品設計工作有重要價值，必將獲得更加廣泛的應用。

 

 

5、參考文獻：

[1] 徐成斌，路明村，張衛明．solidThinking Inspire優化設計基礎與工程應用 [M].北京：機械工業出版社, 2017.

[2]王鈺棟，金磊，洪清泉等. HyperMesh & HyperView應用技巧與高級實例[M]. 北京：機械工業出版社，2012.