基于HyperWorks的伸缩臂叉车伸缩臂结构拓扑优化
伸缩臂叉车因为具有有效作业距离大，作业高度高，能够越过部分障碍工作，可以更换属具，具有一机多用等特点，自其诞生以来，受到市场欢迎。然而，由于采用液压缸变幅，使伸缩臂出现悬臂受力状态，承受很大的弯矩。而且伸缩臂和伸缩机构具有较大的自重，导致在大幅度下的起重量急剧降低，这成为伸缩臂在更大吨位伸缩臂叉车上应用的主要障碍。减轻伸缩臂重量，增大伸缩臂刚度是改善伸缩臂叉车性能的重要途径。本文利用美国Altair公司HyperWorks软件中的HyperMesh对伸缩臂叉车的伸缩臂进行拓扑优化设计，得到较合理的结果，为后续设计提供了理论依据。1 计算工况及受载分析以四川长江工程起重机有限责任公司的CZ3型伸缩臂叉车为例，3节臂全伸(10.38 m)，工作幅度R=7.458m(伸缩臂仰角α=0°)，额定载荷Q=1.25 t，伸缩臂自重G=1.68 t。伸缩臂所受载荷包括自重、起升载荷以及由于伸缩臂叉车的起升运行、变幅机构启动或制动引起的载荷，如图1所示。1.1 垂直载荷 式中：G额——额定载荷 G0——货叉重力 G一伸缩臂重力 ψ1——重量转化系数 ψ ——动力系数 G——折臂重力 由于HyperMesh自动计算伸缩臂自重，故计算垂直载荷时去掉上式中第2项，即 1.2 臂端力矩 由于货物偏心而可能产生的最大臂端扭矩M=G额l/2=1.25×450=562.5(t·mm)式中：l1——载荷中心距 l2——折臂长度 l’——最大偏心距2 模型建立及有限元分析2.1 模型导入采用SolidWorks软件对该伸缩臂进行三维建模，并通过igs格式转入到HyperMesh软件中。为了保证计算结果的正确性和经济性，建模过程中在尽量保持和原始结构一致的同时，也需以符合结构主要力学性能为前提进行必要的简化。伸缩臂结构采用板壳单元进行离散，以四边形单元为主，应避免采用过多的三角形单元引起局部刚性过大；为了使整个伸缩臂有限元模型规模不致过大以保证计算的经济性，单元尺寸控制在20 mm。伸缩臂单元总数为50 445个，节点总数为50 667个，模型如图2所示。 图2 有限元模型(局部)该伸缩臂采用HG60制成，杨氏模量210 000MPa，泊松比0.3，密度7850 kg/m3，屈服强度450 MPa，抗拉强度570 MPa。2.2 伸缩臂连接部分模型处理建模后必须建立各节臂的连接关系。伸缩臂连接部分采用滑块接触，属于非线性接触问题，须反复迭代计算求解，计算量过大，且准确性也较差，因此运用节点自由度耦合技术来模拟各节臂的连接。为实现伸缩臂与滑块之间仅传递压力而不传递拉力的目的，利用各节臂与滑块位置相邻近节点的自由度耦合。耦合的方法：选择analysis面板equations功能，将主动点的法向自由度和dof 6与从动点的法向自由度耦合。伸缩臂节点耦合如图3所示。图3 伸缩臂节点耦合图2.3 设置边界条件在基本臂铰座处，采用发散形状的刚性连接，实现铰座处轴承之间力的传递，使其只转动，不平动，实现铰轴的静力特性和运动特性。约束基本臂铰座处3个方向平移自由度(dofl、dof2、dof3)和2个方向的转动自由度(dof5、dof6)。在3节臂头部采用发散形状的刚性连接，实现伸缩臂与折臂之间的弯矩和扭矩的传递，约束3节臂头部中心节点处的6个自由度。2.4 施加弯矩、扭矩边界条件伸缩臂所承受的载荷有额定载荷、货叉重力、折臂重力、伸缩臂自重及额定载荷偏心时所产生的扭矩。伸缩臂自重计算通过设置重力加速度的大小和方向自动完成。折臂重力、货叉重力和额定载荷所产生的弯矩施加于3节臂臂端中心节点处。由于偏心扭矩方向存在2种可能情况，因此在3节臂臂端中心节点处施加正负2个方向的扭矩。2.5 工况设置额定载荷不产生扭矩和额定载荷分别在正或负方向产生最大扭矩3种工况。3 伸缩臂结构的拓扑优化伸缩臂的结构为板壳结构，在轴承及液压缸的约束下，承受前端载荷力。(1)设计目标为加权应变能最小，约束为体积分数的上限为0.3；(2)在responses子面板中定义volume-frac和wcomp 2个响应。选择objective面板将响应wcomp定义成目标函数；选择dconstraints面板将响应volumefrac定义成约束条件；(3)为得到易于制造的结构和满足实际设计需要，在拓扑优化过程中考虑对称条件，并设置base thickness为2mm；(4)采用变密度法，通过OptiStruct进行优化，得到各节臂优化结果。从各节臂优化结果图(图略)可以看出，伸缩臂的密度分布主要集中在连接部分以及l节臂端部和举升液压缸上铰点之间，这是因为举升液压缸与1节臂连接处的应力集中所引起的。伸缩臂密度分布反映了最佳传力路径。由图4可知，目标函数最终收敛于某数值上。 图4 伸缩臂结构优化目标函数迭代图来源：仿真老兵
