技术干货丨基于OptiStrcut结构尺寸优化的起重机车架轻量化
*本文投稿自工程机械制造行业用户张俊
车架是起重机三大结构件之一，其刚度、强度性能对起重机的吊载性能、可靠性、安全性有着至关重要的作用。大量研究表面，汽车燃油消耗的50%是由整车重量引起的，整车重量每降低10%，燃油经济性可提高3.8%。轻量化设计是指在保证其基本性能的情况下，尽可能提高材料利用率，将重量做到最低，这是降低成本节约能耗的重要手段之一。
本文通过 HyperMesh 有限元软件的 OptiStrcut 优化模块，对某汽车起重机车架进行截面尺寸、板厚优化，最终重量降低了253Kg，预计单台节约成本1200元。
车架轻量化设计理论
优化理论
轻量化设计通常包含新型材料的开发和自身结构的优化这两种路径，本文则是通过第二种路径来实现车架的轻量化设计。本文的结构优化设计指的是:基于 OptiStruct 内置的可行方向法（MFD），对主体焊接总成的厚度、尺寸进行最佳组合设计的理论与方法。这种设计思想的具体实现方式是:基于一定的程序算法，在设计可行域内，逼近能够满足预期设计目标的、最符合设计要求的状态。由于此内置算法基于的是梯度优化算法，采用这种方案通常不一定能在全局找到最优的一个解，但是能得到一个比之前更优的设计，在工程上具有很重要的实际意义。此优化算法具有以下特征：
自动调整设计变量逐渐趋于最优区域，避免了设计人员以经验注意为驱动来进行设计的思路；
基于梯度运算的优化算法，大大提高了计算效率；
可根据实际情况，设置多个合理的初值点，使得优化结果逐渐趋于全局最优解；
可通过设置各个工况“权重”的方式实现多目标的优化设计。
操作步骤
优化过程包含3个关键要素，即设计变量、约束条件、目标函数。设计变量指的是一些影响结构性能的参数如厚度、尺寸、位置、角度等，约束条件指的是对设计变量及结构某些性能的实际限制，目标函数指的是某些性能的最优设计。设计变量在满足约束条件的设计空间内（如尺寸、变形），目标函数在这个设计域内得到最优结果，比如质量最小，其数学表达式模型如下：
设计变量： (i=1,2,3,…,n)
不等式约束： i=1,2,3, …,p
等式约束：j=1,2,3, …,q
目标函数：min(或max)
有限元模型
模型说明
车架截面尺寸650×1100mm，支腿截面尺寸380×250mm;约定车架中回中心为坐标原点，正后方为+X,正右方为+Y，正上方为+Z。车架主体采用薄板件焊接而成，因此采用壳单元来模拟，焊缝连接为将壳单元作延申相交处理，中回座圈采用六面体模拟，支腿搭接处采用MPC滑移面进行模拟
材料
材料许用应力包含拉伸、压缩、弯曲的许用应力，具体参考GB3811-2008以下两种情况进行计算：
（1）对于屈强比σs/σb<0.7，许用应力为钢材屈服点σs除以强度安全系数，具体见下表：
无风工况(A) | 有风工况(B) | 特殊工况(C) | |
强度安全系数n 基本许用应力[σ] | 1.48 σs/1.48 | 1.34 σs/1.34 | 1.22 σs/1.22 |
表1 材料许用应力
2) 对于σs/σb≥0.7，基本许用应力为（0.35*σb+0.5*σs）/n，式中：
σb钢材抗拉强度；
σs/钢材屈服强度；
n与载荷类别相应的载荷系数。
车架支腿主体采用HG785钢，其屈强比σs/σb≥0.7，因此按照第二种方式计算其许用应力，其相关参数如下表所示：
杨氏模量/MPa | 泊松比 | 抗拉强/MPa | 屈服强度/MPa | 许用应力/MPa（1.34系数） | |
HG785 | 2.1E5 | 0.3 | 785 | 685 | 461 |
表2 材料参数
约束条件
左前支腿底部约束XZ自由度，右前支腿底部约束XYZ自由度，左后支腿底部约束Z自由度，右后支腿底部约束YZ自由度。
工况
取对车架结构影响最恶劣工况——1.25倍最大起重力矩吊载，分别在前、后、左、右、左前、右前、左后、右后8个方位进行加载，将上车重量（转台、大臂、吊重）、下车重量（车桥、轮胎、驾驶室、车架等）转换到中回中心的垂直力及力矩，具体如下表所示：
超载系数 | 上车等效载荷/ KN | 上车等效力矩/KN·m | 下车等效载荷/KN | 下车等效力矩/KN·m | |
最大力矩 | 1.25 | 445 | 1560 | 135 | 278 |
表3 等效载荷
优化过程
整体思路
车架结构轻量化的基本路线为：使用 HyperMesh 的 Optimization 模块，采用可行方向算法（MFD），在某成熟车型基础上，在保证整体刚度与之前相当的前提下，以主体结构板厚、车架长宽尺寸为设计变量进行优化设计，具体如下：
设计变量：车架支腿主体板厚(±30%)、车架宽度(±25mm)、车架高度(±25mm)
约束条件：支腿平均变形不低于原车、车架中心点变形不低于原车、车架扭转角不低于原车；
目标函数：质量最小。
车架界面尺寸参数创建
使用 Hypermorph 对车架分别进行高度方向和宽度方向拉伸25mm，然后创建形状尺寸设计变量
主体结构板厚参数创建
考虑板厚取整数，要先创建离散的变量值，然后创建主要结构件的板厚尺寸设计变量
图4 板厚尺寸变量
响应创建
分别创建整体质量响应及相关节点位移响应
约束及目标创建
创建位移约束（对应满足扭转角要求），创建目标函数为整体质量最小，图8所示：
图7 约束（位移）
图8 目标函数（质量最小）
仿真结果展示
优化后，主要结构变化示意图如图9所示：
图9 优化后结构变化
部分板厚优化结果如下表所示：
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ··· | |
优化前厚度（mm） | 8 | 7 | 8 | 10 | 12 | 8 | ··· |
优化后厚度（mm） | 9 | 8 | 6 | 7 | 13 | 6 | ··· |
表4 优化结果
优化前后侧向吊载刚度对比如下表所示：
支腿平均变形量（mm) | 车架中心变形量（mm) | 车架上端扭转角（°） | 车架下端扭转角（°） | |
优化前 | 9.35 | 16.82 | 0.37 | 0.33 |
优化后 | 9.17 | 16.28 | 0.35 | 0.33 |
表5 优化前后侧向吊载刚度比较
优化后应力满足设计要求，如图10所示：
图10 应力云图（侧方吊载）
试验验证
吊载应力验证
在1.25倍最大起重力矩工况下，测出相应危险点应力，
仿真值与测试值对比见表6：
试验值（MPa） | 仿真值（MPa） | 相差比例 | |
1 | 167 | 165 | 1% |
2 | 67 | 43 | 35% |
3 | 388 | 249 | 36% |
4 | 74 | 49 | 34% |
5 | 338 | 299 | 11% |
6 | 143 | 98 | 31% |
7 | 105 | 93 | 11% |
8 | 81 | 52 | 35% |
9 | 293 | 232 | 21% |
应力均未超过材料许用应力460MPa,仿真值与实测值基本相差不大。
可靠性验证
在疲劳台架试验机上，固定车架中回位置，模拟各个工况下，吊起重物旋转一圈为一个循环，在四个支腿处施加相应支反力，20000次内不出现开裂可判断合格，具体加载工况如下表所示：
工况1：最大起重量工况,循环次数5000次 工况2：最大起重力矩工况, ,循环次数5000次 工况3：中长臂工况，循环次数4000次 工况4：1.2倍中长臂工况，循环次数3000次 工况5：1.3倍中长臂工况，循环次数3000次 |
工况1：最大起重力矩工况，循环次数10000次 工况2：1.3倍最大起重力矩工况，循环至车架大范围开裂 |
表7 耐久性试验工况
(a)追加9700次最大起重力矩，总计24700次
图12 可靠性试验
如图12所示为20000次可靠性试验后分别追加7200、7800、9700次最大起重力矩工况的母材开裂情况。共计完成疲劳加载24700次，可靠性试验在试验大纲评审合格判定次数20000次循环范围内未出现关键焊缝开裂，车架试验合格。
结论
本文应用 HyperWorks 中的 OptiStruct 对起重机车架进行了轻量化设计，调整车架截面尺寸和部分板件的厚度。经过优化，车架主焊接结构减重253KG(5%)，刚度性能比优化前略有提升，应力满足要求，吊载应力测试试验及可靠性试验均满足要求。
