堆取料机臂架的研究

陈必胜

摘 要：桁架自重轻、造价低。连续体拓扑优化能够在已知边界和载荷条件下确定最佳形状方案。均匀化方法是一种成熟的连续体拓扑优化方法。

关键词：拓扑 尺寸 ANSYS 桁架

中图分类号：TU323.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0028-01

1 原臂架分析

臂架是悬臂胶带机的支承件，由两个工字梁构成，用角钢连接成整体。主要抵抗自重及胶带机各部件的载荷。因各段受力不同，腹板采取变截面形式，其后部设有配重系统（如表1）。[1]

2 臂架优化

对于臂架前部，优化时需要控制其外轮廓形状，因此优化时将外轮廓框架设定为非设计域。

第一章中分析的臂架共有三种工况，为了使拓扑结果满足实际使用要求，优化时同样需要考虑这三种工况。

（1）腹板拓扑优化

在ANSYS中，采用建立腹板前部平面有限元模型，划分单元时腹板边框非设计域与设计域采用不同的单元类型号，设计域采用类型号为1的单元进行平面网格划分，非设计域采用单元类型号为2的单元划分。

将腹板前部与后部结合处作为约束；

综合空载水平、满载上仰和满载下附三种载荷工况，加权系数1，1，2；

结构刚度最大化为优化目标，去除材料体积60%作为约束。如图臂架前部腹板拓扑优化结果。

优化获得如图1所示的腹板前部桁架结构。结果表明材料分布的趋势为约束端部需要较多材料，而前部则较少，腹板设计域基本形成桁架结构，但形式不清晰。

为了获得较清晰的结构，采取对腹板进行分段优化的方法。

（2）腹板中段优化

单独取腹板中段，约束位置与整段相同，载荷除了腹板上部的均布载荷外，在连接处需要施加支反力、支反力矩，材料去除50%。

（3）腹板前段优化

单独取腹板前段，将前段与中段的连接部位作为约束，去除材料60%。

3 基于优化结果的结构及分析

针对上述优化结果，使臂架强度和刚度控制在合理范围内，使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗弯，根据我公司实际情况，大部分产品采用板梁结构，有些废料的尺寸也非常大，可以考虑综合利用。

依据拓扑优化的结果，臂架截面我们采用双工字梁结构，每侧工字梁上下采用T形结构，采用钢板焊接而成，臂架中段和前段的主梁截面采用上图所示的T形截面，根据截面尺寸优化结果，中段截面尺寸为240×240×20×26，前段截面尺寸为240×240×16×10，三维模型如图2。

在ANSYS中，我们对新结构建立有限元模型并分析。从结果上看，臂架的最大应力在臂架的铰座及油缸铰座附近，与原结构的最大应力位置大体相同。最大应力为132 MPa，而原始结构的最大应力为106 MPa。虽然应力有所变大，但是在材料的极限范围内。

从变形分析的结果上看，臂架的最大变形依然出现在臂架的前部附近，与原始结构的最大应力位置相同。最大变形为59 mm，而原结构的最大变形为101 mm。在变形方面，有了较大的改善（减小41.1%）。这是由于原臂架在前端自身较重，在加之挡料板等较大部件的集中载荷，使得前端的变形较大。

从模态分析结果上看，臂架的固有频率变化较大，变动的幅度有所提高。考虑到计算误差及设备结构的因素，优化后的结构虽对模态产生一定的影响，但是考虑其经济性及使用，可以接受。由于结构优化以减重为主，计算时也以位移作为约束，所以对模态而言没有明显的优化作用。

优化后的模型在质量上减少16%，变形也得到改善。应力虽然较原模型大，也可接受，达到了预期的目的。

综上，主要工作在于将拓扑优化技术应用在钢结构优化中。如果将其推广到堆取料机中的桥梁、中柱等结构也将得到优化，定会给企业带来可观的经济效益。相信随着有限元技术和优化理论不断发展，被广大工程技术人员所接受，拓扑优化技术必将为更复杂的问题提供解决方案，为企业做出巨大的贡献。

参考文献

[1] 徐伟.工程车辆车架的拓扑优化与减重设计.

[2] 李群.物料搬运与分析技术.endprint

摘 要：桁架自重轻、造价低。连续体拓扑优化能够在已知边界和载荷条件下确定最佳形状方案。均匀化方法是一种成熟的连续体拓扑优化方法。

关键词：拓扑 尺寸 ANSYS 桁架

中图分类号：TU323.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0028-01

1 原臂架分析

臂架是悬臂胶带机的支承件，由两个工字梁构成，用角钢连接成整体。主要抵抗自重及胶带机各部件的载荷。因各段受力不同，腹板采取变截面形式，其后部设有配重系统（如表1）。[1]

2 臂架优化

对于臂架前部，优化时需要控制其外轮廓形状，因此优化时将外轮廓框架设定为非设计域。

第一章中分析的臂架共有三种工况，为了使拓扑结果满足实际使用要求，优化时同样需要考虑这三种工况。

（1）腹板拓扑优化

在ANSYS中，采用建立腹板前部平面有限元模型，划分单元时腹板边框非设计域与设计域采用不同的单元类型号，设计域采用类型号为1的单元进行平面网格划分，非设计域采用单元类型号为2的单元划分。

将腹板前部与后部结合处作为约束；

综合空载水平、满载上仰和满载下附三种载荷工况，加权系数1，1，2；

结构刚度最大化为优化目标，去除材料体积60%作为约束。如图臂架前部腹板拓扑优化结果。

优化获得如图1所示的腹板前部桁架结构。结果表明材料分布的趋势为约束端部需要较多材料，而前部则较少，腹板设计域基本形成桁架结构，但形式不清晰。

为了获得较清晰的结构，采取对腹板进行分段优化的方法。

（2）腹板中段优化

单独取腹板中段，约束位置与整段相同，载荷除了腹板上部的均布载荷外，在连接处需要施加支反力、支反力矩，材料去除50%。

（3）腹板前段优化

单独取腹板前段，将前段与中段的连接部位作为约束，去除材料60%。

3 基于优化结果的结构及分析

针对上述优化结果，使臂架强度和刚度控制在合理范围内，使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗弯，根据我公司实际情况，大部分产品采用板梁结构，有些废料的尺寸也非常大，可以考虑综合利用。

依据拓扑优化的结果，臂架截面我们采用双工字梁结构，每侧工字梁上下采用T形结构，采用钢板焊接而成，臂架中段和前段的主梁截面采用上图所示的T形截面，根据截面尺寸优化结果，中段截面尺寸为240×240×20×26，前段截面尺寸为240×240×16×10，三维模型如图2。

在ANSYS中，我们对新结构建立有限元模型并分析。从结果上看，臂架的最大应力在臂架的铰座及油缸铰座附近，与原结构的最大应力位置大体相同。最大应力为132 MPa，而原始结构的最大应力为106 MPa。虽然应力有所变大，但是在材料的极限范围内。

从变形分析的结果上看，臂架的最大变形依然出现在臂架的前部附近，与原始结构的最大应力位置相同。最大变形为59 mm，而原结构的最大变形为101 mm。在变形方面，有了较大的改善（减小41.1%）。这是由于原臂架在前端自身较重，在加之挡料板等较大部件的集中载荷，使得前端的变形较大。

从模态分析结果上看，臂架的固有频率变化较大，变动的幅度有所提高。考虑到计算误差及设备结构的因素，优化后的结构虽对模态产生一定的影响，但是考虑其经济性及使用，可以接受。由于结构优化以减重为主，计算时也以位移作为约束，所以对模态而言没有明显的优化作用。

优化后的模型在质量上减少16%，变形也得到改善。应力虽然较原模型大，也可接受，达到了预期的目的。

综上，主要工作在于将拓扑优化技术应用在钢结构优化中。如果将其推广到堆取料机中的桥梁、中柱等结构也将得到优化，定会给企业带来可观的经济效益。相信随着有限元技术和优化理论不断发展，被广大工程技术人员所接受，拓扑优化技术必将为更复杂的问题提供解决方案，为企业做出巨大的贡献。

参考文献

[1] 徐伟.工程车辆车架的拓扑优化与减重设计.

[2] 李群.物料搬运与分析技术.endprint

摘 要：桁架自重轻、造价低。连续体拓扑优化能够在已知边界和载荷条件下确定最佳形状方案。均匀化方法是一种成熟的连续体拓扑优化方法。

关键词：拓扑 尺寸 ANSYS 桁架

中图分类号：TU323.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（b）-0028-01

1 原臂架分析

臂架是悬臂胶带机的支承件，由两个工字梁构成，用角钢连接成整体。主要抵抗自重及胶带机各部件的载荷。因各段受力不同，腹板采取变截面形式，其后部设有配重系统（如表1）。[1]

2 臂架优化

对于臂架前部，优化时需要控制其外轮廓形状，因此优化时将外轮廓框架设定为非设计域。

第一章中分析的臂架共有三种工况，为了使拓扑结果满足实际使用要求，优化时同样需要考虑这三种工况。

（1）腹板拓扑优化

在ANSYS中，采用建立腹板前部平面有限元模型，划分单元时腹板边框非设计域与设计域采用不同的单元类型号，设计域采用类型号为1的单元进行平面网格划分，非设计域采用单元类型号为2的单元划分。

将腹板前部与后部结合处作为约束；

综合空载水平、满载上仰和满载下附三种载荷工况，加权系数1，1，2；

结构刚度最大化为优化目标，去除材料体积60%作为约束。如图臂架前部腹板拓扑优化结果。

优化获得如图1所示的腹板前部桁架结构。结果表明材料分布的趋势为约束端部需要较多材料，而前部则较少，腹板设计域基本形成桁架结构，但形式不清晰。

为了获得较清晰的结构，采取对腹板进行分段优化的方法。

（2）腹板中段优化

单独取腹板中段，约束位置与整段相同，载荷除了腹板上部的均布载荷外，在连接处需要施加支反力、支反力矩，材料去除50%。

（3）腹板前段优化

单独取腹板前段，将前段与中段的连接部位作为约束，去除材料60%。

3 基于优化结果的结构及分析

针对上述优化结果，使臂架强度和刚度控制在合理范围内，使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗弯，根据我公司实际情况，大部分产品采用板梁结构，有些废料的尺寸也非常大，可以考虑综合利用。

依据拓扑优化的结果，臂架截面我们采用双工字梁结构，每侧工字梁上下采用T形结构，采用钢板焊接而成，臂架中段和前段的主梁截面采用上图所示的T形截面，根据截面尺寸优化结果，中段截面尺寸为240×240×20×26，前段截面尺寸为240×240×16×10，三维模型如图2。

在ANSYS中，我们对新结构建立有限元模型并分析。从结果上看，臂架的最大应力在臂架的铰座及油缸铰座附近，与原结构的最大应力位置大体相同。最大应力为132 MPa，而原始结构的最大应力为106 MPa。虽然应力有所变大，但是在材料的极限范围内。

从变形分析的结果上看，臂架的最大变形依然出现在臂架的前部附近，与原始结构的最大应力位置相同。最大变形为59 mm，而原结构的最大变形为101 mm。在变形方面，有了较大的改善（减小41.1%）。这是由于原臂架在前端自身较重，在加之挡料板等较大部件的集中载荷，使得前端的变形较大。

从模态分析结果上看，臂架的固有频率变化较大，变动的幅度有所提高。考虑到计算误差及设备结构的因素，优化后的结构虽对模态产生一定的影响，但是考虑其经济性及使用，可以接受。由于结构优化以减重为主，计算时也以位移作为约束，所以对模态而言没有明显的优化作用。

优化后的模型在质量上减少16%，变形也得到改善。应力虽然较原模型大，也可接受，达到了预期的目的。

综上，主要工作在于将拓扑优化技术应用在钢结构优化中。如果将其推广到堆取料机中的桥梁、中柱等结构也将得到优化，定会给企业带来可观的经济效益。相信随着有限元技术和优化理论不断发展，被广大工程技术人员所接受，拓扑优化技术必将为更复杂的问题提供解决方案，为企业做出巨大的贡献。

参考文献

[1] 徐伟.工程车辆车架的拓扑优化与减重设计.

[2] 李群.物料搬运与分析技术.endprint