基于Hyper wor ks 的底盘刚度优化分析

裴娟苗，许富青

（湖南三一快而居住宅工业有限公司研究院，长沙410011）

1 优化计算

1.1 尺寸优化

如图1 所示，某款成熟底盘主要由支腿侧板、前加强板、长封板、加强圆钢、外折弯槽钢和支腿顶板组成（见图1）。

图1 某款成熟底盘结构

为了采用Hyperworks 对此底盘进行优化计算，将各板厚均由设计变量代替，即设支腿侧板为DV1，前加强板为DV2，长封板为DV3，加强圆钢为DV4，外折弯槽钢为DV5，支腿顶板为DV6。将板厚定义为设计变量，将底盘刚度不低于原结构定义为约束条件，将总质量最小定义为优化目标[1～3]。以75°～135° 5 个姿态为计算工况，采用尺寸优化计算结果如表1 中优化值1 列所示。

表1 尺寸优化计算结果mm

由表1 数据可知，支腿板厚对此底盘的刚度影响有限，在尺寸优化中已由15mm 减小到5mm，支腿质量相比于原结构下降了60%。大梁外折弯槽钢与长封板厚度基本没变，但加强圆钢的尺寸被大幅度增加。此计算结果也说明加强圆钢处的扭转刚度还需要继续加强。

为了验证经过尺寸优化后的底盘结构的强度是否达标，本文对尺寸优化后的结构进行了强度分析。分析结果显示，经过尺寸优化后的底盘结构，大片应力均在400MPa 以下（底盘材料为SG1000），说明支腿的厚度优化减薄后，并不影响该底盘的总体强度。图2 为尺寸优化后的底盘在135°工况时的受力分析云图。

图2 尺寸优化后的底盘受力分析云图

将约束条件定义为底盘刚度提升2 倍，利用与上面相同的优化方法，对板厚进行优化，所得结果如表1 中优化值2 列所示。

由表可见，当底盘扭转刚度提升2 倍时，支腿板厚依然被减薄至5mm，但大梁的折弯槽钢与长封板厚度基本也提升了2 倍。显然这种优化方案并不经济，在增加刚度的情况下，底盘的质量也成倍增加。由此可知，如果在不改变底盘主体结构的前提下，直接通过板厚的改变提升底盘的扭转刚度并不可行。所以，本文后续在对此底盘进行尺寸优化的基础上，采用拓扑优化[4，5]的办法继续寻求结构优化途径。

1.2 拓扑优化

由尺寸优化的结果可知，减薄支腿板材厚度时，加强圆钢的尺寸得到了大幅度的增加。此计算结果说明，要提升底盘的扭转刚度，提高加强圆钢处的结构灵敏度比增加支腿的板材厚度可行。为了更有效地提升底盘刚度，本文对影响底盘刚度灵敏度的较高结构处进行了拓扑优化，寻求在75°～135°工况下的最优传力路径。

如图3 所示，在底盘刚度薄弱处，增加网格，将大梁连接为一个整体。将增加的单元作为优化对象，将底盘的刚度提升2 倍作为约束条件，将底盘总质量最小作为优化目标。

在75°～135°工况下，运行计算可得最优传力路径如图4 所示。

图3 增加网格后的单元

图4 最优传力路径

沿此路径对底盘加强后，底盘整体刚度如表2 所示。由表2 可知，在原结构上采用拓扑优化计算后，实际的扭转刚度提升了2 倍以上。

表2 底盘整体刚度mm

依据尺寸优化方案，修改实体设计后，支腿梁减重210kg。由拓扑优化所得传力路径增加斜筋后，实际质量增加了250kg。结合尺寸优化与拓扑优化的设计方案，估算底盘增加的总质量为50kg（考虑全工况计算，实际增加质量为100kg）。即结合尺寸优化与拓扑优化的计算结果，在底盘质量增加100kg 的前提下，该底盘的扭转刚度能提升2 倍以上。

2 结论

利用有限元分析手段，对目前上市销售的某款工程机械底盘进行了优化计算的详细分析，尝试寻求提升刚度的最优方案。通过本文优化计算后可得如下结论：

1）该底盘受力状态良好，且支腿板材厚度可以由15mm更改为5mm。

2）该底盘扭转刚度薄弱处为“加强圆钢处”，沿本文的优化路径进行加强后，该底盘的扭转刚度能提升2 倍以上。

3）本文的结构优化思路以及计算方法对以后的新品开发、结构优化有一定的借鉴意义。