张岩 吴小峰 李戈操
安徽合力股份有限公司 合肥 230061
摘要:基于拓扑优化理论和有限元方法,采用OptiStruct对某型叉车油缸支座进行了拓扑优化分析。得出最优材料分布方案后,对油缸支座进行结构重新设计。结果表明,拓扑优化后油缸支座的刚度和强度都比原始设计的要强,质量也更轻。
关键词:油缸支座,拓扑优化,叉车,有限元分析,OptiStruct
0引言
拓扑优化技术作为以提高结构性能或减轻结构质量为目标的一种新兴结构设计方法,目前已广泛在国外汽车企业得到成功应用。Altair公司技术报告表明:在车架轻量化设计中,结构优化技术涵盖了从概念设计阶段、基本设计阶段到详细设计阶段的全流程,在概念设计阶段起主要作用的拓扑优化技术得到了全面展示。
油缸支座为叉车中的重要零部件,其主要作用是连接起重系统与车架直接,实现起重系统的前倾与后倾,其强度和刚度直接影响到整车的安全性。本文基于OptiStruct优化技术,运用有限元和拓扑优化方法实现了油缸支座优化设计,支座优化结果为类似结构的拓扑优化设计提供了参考。
1工况确定
综合考虑叉车在实际中的使用情况,现确定3种典型工况:
①门架前倾工况:油缸支座处承受34500N力,方向水平向上20.5°,油缸支座底部和侧面与车架焊接处全约束;
②门架直立工况:油缸支座处承受31200N力,方向水平向上26.5°,油缸支座底部和侧面与车架焊接处全约束;
③门架后倾工况:油缸支座处承受29400N力,方向水平向上38.5°,油缸支座底部和侧面与车架焊接处全约束。
2油缸支座拓扑优化模型建立
油缸支座原始结构如图一所示。根据部件实际使用情况,将其主体结构全部填为实体,得到拓扑优化有限元模型,如图二所示,共生成39941个节点,35339个六面实体单元。。其中粉色区域为设计区域,蓝色区域为非设计区域。
3拓扑优化
3.1拓扑优化问题描述
目标函数:油缸支座强度最大,同时考虑多个载荷工况的共同作用,拓扑优化的目标定为油缸支座结构综合应变能达到最小。
设计变量:拓扑优化计算时,以设计区域内每个单元的密度为设计变量。
约束条件:为了到达减轻重量的目的,优化设计中以限制保留结构体积百分比的上限为约束条件。
3.2拓扑优化计算结果
油缸支座拓扑优化后单元密度云图,如图三两图所示。图中经过多次迭代后,得到了标值表示优化后单元密度值,密度值越大的单元越重要,是设计中需要保留的单元,相的区域是需要保留的区域,密度值较小的区域则是优化后可以去除的区域,由拓扑优化结果可以得出材料的大概分布方案。