基于HyperWorks的倾翻斗静力学仿真分析及优化设计
作者:张克军 来源:安徽合力股份有限公司 发布时间:2013-02-18 【收藏】 【打印】 复制连接 【大 中 小】 我来说两句:(0) 逛逛论坛摘要:采用Altair的前处理软件HyperMesh建立倾翻斗的有限元模型,采用RADIOSS求解器进行倾翻斗多工况静力学仿真分析,根据仿真分析的结果使用OptiStruct优化软件对倾翻斗进行优化设计,优化结果表明,优化后的倾翻斗质量降低了6.7%,最大应力降低了35%。
关键词:倾翻斗, RADIOSS,优化设计,OptiStruct,叉车
概述
倾翻斗是安装在叉车上的一种属具,主要用于散装货物的装载、运输及卸载。由于倾翻斗安装在叉车的前端,为了保证整车的纵向稳定性,必需由装在叉车后端的平衡重来平衡倾翻斗及货物的重量。因此,在保证倾翻斗强度和刚度足够的前提下,减轻倾翻斗的重量非常重要。
本文首先对倾翻斗进行静力学仿真分析,根据仿真分析的结果,利用Altair公司的优化软件OptiStruct对倾翻斗进行优化设计,优化结果显示优化后的方案满足静强度的要求并且降低了倾翻斗的重量。
1、倾翻斗有限元模型的建立
1.1有限元模型建立
本文采用前处理软件HyperMesh建立倾翻斗有限元模型。
1.1.1倾翻斗有限元模型处理的基本方法
根据倾翻斗结构特点,有限元模型处理的方法如下:
(1)倾翻斗由很多板结构组成,适合用壳单元模拟;
(2)零件之间的焊接采用刚性单元(RBE2)或共节点方式处理;
- 作用在倾翻斗上的载荷采用集中质量(MASS)模拟。
1.1.2 倾翻斗的有限元模型
图1 倾翻斗有限元模型
倾翻斗有限元模型如图1所示。
1.1.3有限元模型材料及强度评判标准
模型材料参数如表1所示,强度评判标准如表2所示。
表1 模型材料参数
材料型号 |
杨氏模量Mpa |
泊松比 |
密度 t/mm3 |
Q235A |
2.1E5 |
0.3 |
7.9E-9 |
1Cr18Ni9Ti |
2.1E5 |
0.3 |
7.9E-9 |
表2 强度评判标准
零件名称 |
材料型号 |
材料屈服极限 |
材料许用应力 |
箱板 |
1Cr18Ni9Ti |
220 Mpa |
147 Mpa |
其它零件 |
Q235A |
235 Mpa |
157 Mpa |
材料许用应力=材料屈服极限/安全系数(安全系数取:1.5) 强度条件:材料许用应力>仿真计算应力 |
1.2 边界条件创建
边界条件是实际工况在有限元模型上的表现形式。边界条件是否符合实际情况,很大程度上决定了计算结果的准确性。根据倾翻斗的实际工作情况,确定静力学仿真工况如表3所示。
表3 静力学仿真工况
工况序号 |
工况描述 |
备注 |
1 |
倾翻斗位于水平位置,中间状态 |
|
2 |
倾翻斗上翻到最大位置,铲货状态 |
倾翻斗上翻45度 |
3 |
倾翻斗下翻到最大位置,卸货状态 |
倾翻斗下翻50度 |
2、静力学仿真分析
本文采用RADIOSS求解器对倾翻斗进行静力学仿真分析。
2.1 静力学仿真分析结果
图2 倾翻斗水平位置应力云图 图3 倾翻斗上翻45度应力云图
图4 倾翻斗下翻50度应力云图
2.2 仿真结果评价
由图2、图3及图4可以看出,倾翻斗的最大压应力为101.8Mpa,发生在倾翻斗上翻45度工况;倾翻斗的最大拉应力为80.2Mpa,发生在倾翻斗下翻50度工况。
发生最大应力102Mpa处的材料为Q235A。由表2可知,材料的许用应力为157Mpa,根据静强度分析的判定标准可知,该倾翻斗静强度符合要求。
3 、优化设计
根据CAE仿真分析结果,对倾翻斗进行优化设计。从倾翻斗静力学仿真结果来看,倾翻斗上翻45度工况应力最大,因此在此仿真工况下进行倾翻斗尺寸优化分析。
本文采用优化软件OptiStruct对倾翻斗进行尺寸优化分析。
3.1 优化设计过程
3.1.1 优化类型
根据倾翻斗的结构特点,采用尺寸优化的方法对该结构进行优化分析,主要优化尺寸为5mm的1Cr18Ni9Ti板的厚度及尺寸为8mm的Q235A板的厚度。根据工程应用的特点,本文采用离散尺寸优化方法对倾翻斗进行优化设计。
3.1.2 设计变量
设计变量为两种板的厚度尺寸,包括:
(1) 8mm板的厚度尺寸:其变化范围为一组离散数值:6mm,8mm,10mm,12mm。
(2) 5mm板的厚度尺寸:其变化范围为一组离散数值:3mm,4mm,5mm,6mm。
3.1.3 目标函数
倾翻斗尺寸优化设计的目标是倾翻斗质量最小。
3.1.4 约束条件
倾翻斗尺寸优化的约束条件是8mm板(材料为Q235A)处的最大应力<78Mpa;5mm板(材料为1Cr18Ni9Ti)处的最大应力<73Mpa。
3.2 优化设计结果
优化前后倾翻斗两种钢板的厚度如图及图6所示,优化前后倾翻斗最大应力如图7及图8所示。
图5优化前钢板厚度云图 图6优化后钢板厚度云图
图7 优化前倾翻斗应力云图 图8 优化后倾翻斗应力云图
优化设计迭代结果(结果取自优化结果文件)如表4所示。
表4 优化设计迭代结果
项目 |
单位 |
优化前数值 |
优化后数值 |
1Cr18Ni9Ti板厚度 |
mm |
5 |
4 |
Q235A板厚度 |
mm |
8 |
12 |
倾翻斗质量 |
kg |
208 |
194 |
1Cr18Ni9Ti板最大应力 |
Mpa |
55 |
67.5 |
Q235A板最大应力 |
Mpa |
101.8 |
66.2 |
3.3 优化结果评价
从图5—图8及表4可以看出:优化后倾翻斗的质量由208kg降低到194kg,质量降低6.7%;优化后倾翻斗的最大应力由101.8Mpa降低到66.2Mpa,最大应力降低35%。
4、结束语
(1)采用Altair公司的系列软件HyperMesh、RADIOSS及OptiStruct进行叉车倾翻斗的静力学仿真分析及优化设计,取得较好效果。
(2)优化结果表明,倾翻斗质量降低6.7%,最大应力降低35%,效果明显。
(3)将静力学仿真结果与物理样机试验数据对标,误差仅为4%,证明了静力学仿真结果的可信度较高。
5、参考文献
[1]《HyperWorks 11.0 基础培训》 澳汰尔工程软件(上海)有限公司,2011
[2]李楚琳等 《HyperWorks分析应用实例》 机械工业出版社,2008
[3]张胜兰等 《基于HyperWorks的结构优化设计技术》机械工业出版社,2007
Tipping Bucket Statics Simulation and Optimization Design Based on HyperWorks
Zhang Kejun
Abstract:Establish the finite element model of tipping bucket with Altair HyperMesh. Use RADIOSS solver to simulate the intensity of tipping bucket under multi-load case. The article optimize tipping bucket with Altair OptiStruct according to the result of simulation. The optimization results show that the mass of optimized tipping bucket was reduced by 6.7% and the biggest stress of optimized tipping bucket was reduced by 35%.
Key words:tipping bucket,RADIOSS,optimization design,OptiStruct,forklift truck