支腿支腿

大吨位全路面起重机支腿结构“精益”化 · 出处： 安世亚太 日期：2009-12-28 ·    · 分享到：新浪微博 1 概述     随着特种重型底盘的关键、优势技术应用成熟，将底盘领先技术应用于民品市场是我们的一个必然选择。全路面起重机底盘的研制是将特种底盘优势技术与民用产品相结合的一个很好范例，必将为丰富我们的产品和经济增长做出贡献。     全路面起重机综合了汽车起重机快速转移及负载行驶等主要优点：越野能力强、更好的行驶性能、更广泛的作业范围。具有自动调平车架道路适应能力强、全轮转向多桥驱动适用范围广、车架高度可调大大提高行驶性能和通过能力、支腿跨距大作业稳定性好等优势。     对全路面汽车起重机底盘，车架和支腿结构是决定产品能否满足承载性能的最主要因素，结构设计质量是决定产品开发成败的关键，因此要从设计上保证结构优化合理、具有良好的承载性能。汽车起重机的支腿直接关系到作业能力和使用安全，还决定整车的方位和变形趋势，支腿在载荷作用下产生一定的弹性变形，使起重作业面产生位移量从而决定起重性能及整机方位，因此支腿的结构设计和对位移趋势的控制成为一个重要的设计要素。     在研制工作中传统的设计方法已不能满足设计质量、研制周期及经费等多方面的要求，线性分析在大多数情况下能够满足要求，但在设计关键的结构细节时就必须采用“精益”分析，非线性模拟分析才是局部精细分析的有效方法。在设计阶段已经进行了初步的计算分析，确定了支腿伸出时的角度，以保证在起吊重物后整车水平下降时支腿由倾斜变成水平，在进一步的设计分析中确定结构细节，以保证结构的强度和刚度满足要求。 图1 全路面汽车起重机示意图     本文的主要研究内容是采用有限元法对支腿限位块结构进行强度计算优化，用接触非线性方式计算两级支腿间的力传递产生的局部接触应力问题，通过结构的优化达到应力分散的目的，从而设计出满足强度要求的结构。本文采用拓扑优化算法对支腿的加强结构进行了优化计算，设计出了合理的支腿加强结构，减轻了结构的重量，满足结构设计的要求。 2 支腿限位结构非线性优化分析 2.1 初始结构状态     全路面起重机支腿初始结构示意如图2，在起重状态时支腿的最大承载达1200kN。 图2 起吊前后腿变化示意图     在方案设计时，经过理论分析确定了支腿结构截面的初步尺寸，并得到外支腿限位块前部外伸缩梁的理论应力值：     其后对支腿设计方案采用有限元法进行计算分析，对结构再次进行优化调整。但是外支腿与限位块接触区域的应力超过了材料的屈服限，结构强度不满足要求，初始结构的应力分布如图3： 图3 初始结构的应力分布状态   2.2 优化分析     优化分析采用结构尺寸参数优化方法，对限位块结构的接触面进行参数化建模，端部的接触轮廓线采用 Spline曲线，建立限位块接触面两端的高度参数（D1，D2）以决定限位块与外支腿的接触状态。     对限位块的接触面的控制是通过体切割实现的，将切割体的尺寸进行参数化构建，切割完成后限位块的接触面就实现了参数化控制，优化参数示意如图4。 图4 限位块结构优化参数     从图 3中可以看出，在对限位块结构进行优化前，接触应力主要集中在前点，应力集中比较严重，前后点的应力差距较大。优化的目的就是要平均接触应力分布，以减小接触应力峰值，因此优化目标定义为前后两点的应力差值。     *GET, S_rear, NODE,node(-22.414,-145,-32.459), S, EQV     *GET, S_front, NODE,node(108.45,-145,-33.083), S, EQV     S_Dif=abs(S_front-S_rear)     OPVAR,D1,DV,0,4, ,!*优化前端尺寸变量     OPVAR,D2,DV,0,4, , !*优化后端尺寸变量     OPVAR, S_Dif,OBJ, , , , !*优化目标，最小化 2.3 优化效果     优化参数集如下:     优化后的应力结果如图5,从优化结果看整体应力水平有所下降,前后接触点的应力分布接近,应力集中的数值小于材料的屈服限。虽然局部接触应力状态接近材料屈服强度，但从结构的应力分布看，周围大部分应力水平相对较低，因为局部应力的扩展需要一个过程，当屈服应力扩展并达到强度限应力水平后结构才会产生裂纹，裂纹进一步扩展最后形成断裂破坏，因此结构有一定的寿命空间。 图5 优化后外支腿的接触应力分布 3 支腿加强结构拓扑优化分析 3.1 拓扑优化     结构的拓扑优化设计是继尺寸优化和形状优化后结构优化领域的一个研究方向,在减轻结构重量和保证结构力学性能的前提下,寻求结构材料在空间的最佳分布。目前比较成熟的理论和方法主要有均匀化方法、密度插值法和渐进结构优化方法,数值计算上均采用成熟的有限元理论。     本文采用的拓扑优化方法是 ANSYS软件提供的优化方法，首先在有限元模型上定义需要优化的区域，定义希望缩减的比例和迭代次数，计算结果中红色区域代拓扑优化后的结构分布。     拓扑优化算法还不完全成熟，可能存在数值计算不稳定、棋盘格现象、优化结构边缘呈现锯齿状等问题,与个人的经验能力也有一定的关系，优化结果需要进一步的判断和分析，需要进行重构才能用于结构设计中。但对结构的布局确实能起到很好的指导作用，因此拓扑优化方法正在加速发展，应用得非常成功的著名案例是空客 A380和波音 777的机翼结构拓扑优化设计。 2.2 优化分析     优化分析采用结构尺寸参数优化方法，对限位块结构的接触面进行参数化建模，端部的接触轮廓线采用 Spline曲线，建立限位块接触面两端的高度参数（D1，D2）以决定限位块与外支腿的接触状态。     对限位块的接触面的控制是通过体切割实现的，将切割体的尺寸进行参数化构建，切割完成后限位块的接触面就实现了参数化控制，优化参数示意如图4。 图4 限位块结构优化参数     从图 3中可以看出，在对限位块结构进行优化前，接触应力主要集中在前点，应力集中比较严重，前后点的应力差距较大。优化的目的就是要平均接触应力分布，以减小接触应力峰值，因此优化目标定义为前后两点的应力差值。     *GET, S_rear, NODE,node(-22.414,-145,-32.459), S, EQV     *GET, S_front, NODE,node(108.45,-145,-33.083), S, EQV     S_Dif=abs(S_front-S_rear)     OPVAR,D1,DV,0,4, ,!*优化前端尺寸变量     OPVAR,D2,DV,0,4, , !*优化后端尺寸变量     OPVAR, S_Dif,OBJ, , , , !*优化目标，最小化 2.3 优化效果     优化参数集如下:     优化后的应力结果如图5,从优化结果看整体应力水平有所下降,前后接触点的应力分布接近,应力集中的数值小于材料的屈服限。虽然局部接触应力状态接近材料屈服强度，但从结构的应力分布看，周围大部分应力水平相对较低，因为局部应力的扩展需要一个过程，当屈服应力扩展并达到强度限应力水平后结构才会产生裂纹，裂纹进一步扩展最后形成断裂破坏，因此结构有一定的寿命空间。 图5 优化后外支腿的接触应力分布 3 支腿加强结构拓扑优化分析 3.1 拓扑优化     结构的拓扑优化设计是继尺寸优化和形状优化后结构优化领域的一个研究方向,在减轻结构重量和保证结构力学性能的前提下,寻求结构材料在空间的最佳分布。目前比较成熟的理论和方法主要有均匀化方法、密度插值法和渐进结构优化方法,数值计算上均采用成熟的有限元理论。     本文采用的拓扑优化方法是 ANSYS软件提供的优化方法，首先在有限元模型上定义需要优化的区域，定义希望缩减的比例和迭代次数，计算结果中红色区域代表拓扑优化后的结构分布。     拓扑优化算法还不完全成熟，可能存在数值计算不稳定、棋盘格现象、优化结构边缘呈现锯齿状等问题,与个人的经验能力也有一定的关系，优化结果需要进一步的判断和分析，需要进行重构才能用于结构设计中。但对结构的布局确实能起到很好的指导作用，因此拓扑优化方法正在加速发展，应用得非常成功的著名案例是空客 A380和波音 777的机翼结构拓扑优化设计 3.2 加强结构的拓扑优化     由于支腿承受的力非常大，伸缩梁结构如果均匀一致是不合理的。对支腿结构的加强措施很重要，在保证结构强度的前提下，设计出轻量化的结构是拓扑优化的目的。图 6是支腿加强结构的拓扑优化结果图，油缸套左边的部分是拓扑优化区域，红色部分是保留区域，蓝色部分是可以去掉区域。 图6 支腿加强结构的拓扑优化结果     根据以上的拓扑优化结果对支腿的加强结构进行重构，结构如下图7： 图7 拓扑优化后的结构重构 3.3 加强效果     采用拓扑优化结果后的支腿加强结构的计算分析结果如右图8，从图中可以看出支腿结构的应力分布更加均匀合理。 图8 拓扑优化后的结构强度计算结果 4 稳定性分析     对支腿结构的稳定性通过屈曲分析，得到了结构的基本屈曲特征，对拓扑优化前后的结果进行了对比分析，说明了优化工作的成效。 4.1 原支腿结构的屈曲模态     对原支腿结构的屈曲计算分析结果如下图9。 图9 优化前支腿结构的屈曲模态    图10 拓扑优化后的屈曲分析模态 4.2 拓扑优化后支腿结构的屈曲模态     采用拓扑优化结果后，支腿加强结构的稳定性分析结果如图10，结构的稳定性有所改善。 5 结束语     通过本文的优化分析，全路面起重机的支腿结构更加合理，充分发挥了“精益设计”的思路和优势，从局部细节到结构布局都通过先进的优化手段进行了设计，保证了结构的轻量化要求和结构强度要求，让理想的支腿结构一步步地呈现在产品中，使产品质量水平不断提升。 。