基于Optistruct的挖掘机斗杆轻量化设计

秦重阳，丁晓红

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)



基于Optistruct的挖掘机斗杆轻量化设计

秦重阳，丁晓红

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

以某液压挖掘机斗杆为例，将斗杆传统的应用材料Q235替换为新材料ZL114A，通过对斗杆进行拓扑优化，得到斗杆结构的最佳承载形式；再以斗杆总质量最小为设计目标，在保证斗杆结构强度和刚度的条件下通过尺寸优化得到最终设计方案。轻量化设计结果表明，优化后的总质量减少58.7%，并通过对新结构进行强度和刚度校核，验证了该设计方案的可行性。

挖掘机斗杆；拓扑优化；尺寸优化；铝合金

斗杆是构成液压挖掘机工作装置的主要结构之一，一般是由钢板焊接而成的箱型结构，质量较大[1]。同时连接铲斗的斗杆又处于工作装置的前端，其质量对挖掘稳定性、频率等有较大的影响，因此斗杆的轻量化设计对提高挖掘机的综合性能有重要意义[2-4]。

国内传统的斗杆轻量化设计通常是由设计人员根据经验和类比的方法对斗杆等结构进行设计，设计后的结构往往是整体强度不均匀，材料得不到充分利用使得整体质量过大[5]。随着CAE技术的发展，大幅提高了工程机械领域的结构设计效率和质量[6-10]。基于拓扑和尺寸优化的斗杆轻量化设计，运用拓扑优化技术来进行概念设计，得到力的最优传递路径，再结合尺寸优化技术来得到最终设计方案，能够有效避免传统结构设计的“盲目性”，提高结构设计的质量。

目前影响斗杆总质量的因素除了结构方面的，另外一个是斗杆的制作材料。一般传统的斗杆是由Q235钢材焊接而成的，本文拟用铝合金ZL114A材料替换Q235材料，该铝合金材料的强度与钢材相近，但比重仅为钢材的1/3，两者的物理特性如表1所示。

表1 材料物理特性对比

1 斗杆结构拓扑优化设计

1.1 斗杆拓扑优化几何模型的建立

以某液压挖掘机斗杆为例，为结构拓扑优化设计建立该结构的三维模型。由于传统斗杆结构属于大型焊接件，对结构细部尺寸的要求并不是很严格，因此为了避免装配时由于各零件间的尺寸误差所等造成的不吻合现象，故在建模时将整个构件视作一个零件[11-12]。另外，为了得到结构内部材料的分布形式，故建立斗杆的实心模型作为拓扑优化的初始几何模型，如图1所示。

图1 斗杆拓扑优化设计三维模型

1.2 斗杆有限元模型的建立及工况

将上述的斗杆几何模型导入OptiStruct软件的前处理模块进行有限元网格划分、边界条件设定和载荷施加，如图2所示，将有限元网格分成设计区域和非设计区域，通过对挖掘机斗杆的工作原理分析可知，斗杆和动臂通过销轴F铰接，与斗杆油缸通过E点铰接。所以在对斗杆施加边界条件时，E、F两处均约束3个方向的移动自由度UX、UY、UZ和2个方向的转动自由度ROTX、ROTZ，释放沿销轴中心的旋转自由度(图2中约束在三角形处)；斗杆所受铰点力则按照不同工况加载在Q、N和G共3处销轴的两侧。

图2 斗杆拓扑优化设计有限模型

由液压挖掘机的工作特点及环境可知挖掘机的工况较为复杂，而动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸不同伸缩状态的组合构成了不同的工况，也只有用更加符合实际作业的工况才能使有限元设计具有现实意义。根据以往研究经验，研究人员在对挖掘机进行有限元静力分析时一般考虑几种典型的危险工况，但是在某些情况下，机械复杂的作业环境使得整机的挖掘力及其阻力并不大，但在某个铰接点上却有很大的作用力，而该作用力会在局部范围内产生较大的内应力，这也是导致结构损坏的重要原因之一[7]。因此，在有限元分析时有必要考虑更多工况甚至是在全部范围内考察工作装置的受力情况。所以本文在工况选取时，选择了挖掘机在进行极限作业挖掘时整个过程中的10个具有代表性的姿态来模拟整套流程，进行受力分析。10种工况分为2组，分别为a1～a5和b1～b5，并列出前9种挖掘姿态如图3所示。另外，由于不同挖掘机姿态下，各铰点力的大小和方向都在不断变化，所以本文为了对斗杆进行更准确的分析，在拓扑优化设计时采用各工况单个分析。

图3 各工况下的挖掘姿态示意图

1.3 斗杆结构拓扑优化设计

挖掘机斗杆性能的主要评价指标就是刚度，所以在进行拓扑优化设计时将结构刚度最大作为其目标。但在OptiStruct软件里并没有直接的关于刚度的物理量，这里引入应变能的概念，可以认为应变能是结构刚度的倒数，即当载荷给定后，结构的应变能越小表示系统的刚度越大，所以优化目标选用应变能最小化，其数学模型如式(1)所示。在OptiStruct软件中设置材料为ZL114A，密度2 680 kg/m3，弹性模量70 GPa，泊松比为0.3

Min.:U

s.t.:g(X)=v-0.3v0≤00≤Xi≤1,(i=1,…,N)

(1)

式中，U为目标函数，即结构的应变能；X为设计变量(单元密度)；V为优化后结构的体积；V0为结构的初始体积。

本文在对斗杆进行拓扑优化设计时采用各工况单个分析，在该软件中设置相应参数后进行提交计算，得到各工况下的拓扑形态，通过对比发现各工况下的拓扑形态的相似之处，通过对10种工况下的特征进行提取，同时考虑到斗杆的工作环境及实际作业要求其是封闭模型，得到图4所示的几何模型，并在此基础上进行尺寸优化。

图4 斗杆拓扑形态几何模型

2 斗杆结构尺寸优化设计

拓扑优化设计是初步的概念设计，需要对图5所示的结果几何模型进行尺寸优化设计，来确定斗杆尺寸的具体数值。由于是对挖掘机斗杆进行轻量化设计，所以将斗杆质量最小作为设计目标。斗杆尺寸优化设计有限元模型如图5所示，其数学模型如式(2)所示

find:X=[X1,X2,…,X7]Min:M

s.t.:σ1≤[σ],(i=,1,2,…,7)u≤[u]

(2)

式中，M为目标函数，即斗杆质量最小;X为设计变量(板的厚度);σi为板的应力值;[σ]为ZL114A材料的许用应力值;u为斗杆结构的最大变形量;[u]是该结构变形量的上限值。

图5 斗杆尺寸优化有限元模型

如图6所示，本次尺寸优化目标迭代曲线，当计算迭代5步后达到收敛条件，迭代终止，最终迭代结果的质量为55.3 kg。如表2所示的优化结果输出，其中1,2,3号板占据斗杆的大部分质量，其最终取值按照结果取整；对于优化值较小的6号板，考虑到5号板会出现失稳的情况，没有被去掉；4,5,6号板因质量较小，其厚度值同5号板一致定为7 mm。

图6 斗杆尺寸优化目标迭代曲线

设计变量X初始值/mm下限/mm上限/mm优化值/mm最终取值/mm1205228.111821952811.201133054015.50154245305.0075185256.77576180202.3947790257.9188

3 斗杆结构优化后的静力学分析

依照表2中设计变量的最终取值，建立优化后斗杆的有限元模型，在10种工况下分别对结构优化后的斗杆进行静力学分析，并与该斗杆初始设计进行对比。在10种工况中，a1工况作为控制工况，位移和总体应力水平最大，如图7所示，最大位移和应力分别是20.791 mm和165.451 MPa。该斗杆原始设计材料是Q235钢，斗杆质量是133 kg，在a1工况下的最大位移是14.6 mm。本文用铝合金ZL114A代替原始钢材Q235并进行结构设计后，该斗杆质量是54.9 kg，优化后的斗杆结构总质量减少58.7%。而且最大应力小于铝合金材料的屈服应力(230 MPa)，所以该设计可以满足结构要求，实现了结构的轻量化设计。

图7 a1工况下斗杆的位移和应力分布云图

4 结束语

本文以某型液压挖掘机的斗杆为例，借助OptiStruct软件对该斗杆进行轻量化设计。针对该斗杆的轻量化设计，用铝合金材料ZL114A替换Q235钢，以拓扑优化技术对新材料的分布进行优化，得到斗杆结构的最优拓扑形态；在此基础上进行结构尺寸优化，确定了最优方案下的结构尺寸；最终使得斗杆总质量大大降低，并通过对比斗杆优化前后结构的性能，该设计方案可以满足斗杆结构强度和刚度要求，验证了该设计方案的可行性。该方法和设计思想为挖掘机斗杆及其他零部件的结构轻量化设计提供了一定的借鉴依据，并可以应用到其他类似产品的结构轻量化设计中。

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Lightweight Design of Excavator Arm Based on Optistruct

QIN Chongyang, DING Xiaohong

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A hydraulic excavator's arm is studied as an example in this paper, and its traditional material Q235 is replaced by ZL114A. Firstly, the paper gets the optimum load bearing manner for the arm by topology optimization, and then sets minimal mass of the arm as the target to obtain the final design by size optimization under the condition of ensuring the sufficient strength and rigidity of the arm structure. The results of weight-reducing design show that the total weight is reduced by 58.7% and the strength and rigidity of new structure has been checked, which proves feasibility of the design.

excavator arm;topology optimization;sizing optimization;aluminum alloy

2016- 11- 01

秦重阳(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：结构分析与优化设计。丁晓红(1965-)，女，博士，教授，博士生导师。研究方向：机械系统和结构现代设计理论。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.020

TH122

A

1007-7820(2017)08-073-04