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基于HyperWorks的装载机车架结构分析及优化
山东临工工程机械公司 张涛
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摘 要:本文应用 HyperWorks 软件建立某装载机车架 CAE 模型,通过 RADIOSS 计算求解,获得了 车架的应力云图,找到了车架主要受力危险区域。通过应用 OptiStruct 对该车架关键零件进行拓扑优化,得到了更加合理的结构,大大提高了车架的刚度和强度。
关键词: HyperWorks 车架 拓扑优化 强度
1 概述
装载机是一种用途较广的施工机械,广泛应用于建筑、交通、水电、矿山及国防工程中,对加快工程建设、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本等方面发挥着重要的作用。
车架作为装载机的重要组成部分,几乎承载着自身及外部的所有载荷,其可靠性直接决定装载 机的使用寿命,CAE分析是现代设计方法的主要内容,对装载机结构件系统各部件进行CAE分析, 研究其在各种工况下的变形和应力情况,继而对其进行优化设计,可以使得产品的结构和性能更趋完善。因此进行结构件系统的CAE分析和优化设计对装载机设计具有重要作用。
本文以公司某款装载机前车架为研究对象,在HyperMesh中建立了整机有限元网格模型,通过RADIOSS求解,在HyperView中得到了车架在某种极限工况下的应力及变形云图,进而确定了车架的危险受力区域。通过 OptiStruct对该车架关键区域进行拓扑优化,得到了更加合理的车架结构,大大提高了车架的可靠性。
2 原车架结构分析
2.1 有限元模型
根据设计者提供的几何模型,采用四面体单元 Tet10 对原设计模型进行网格划分。取单元尺寸为5mm,对较为重要的受力区域进行必要细化。最终整个车架模型的单元数为908822,节点数为1621676,有限元模型如图 1 所示。

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图1 有限元模型

2.2 材料参数
车架所用的材料为钢材,具体参数如表 1 所示

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2.3 计算结果
通过RADIOSS进行求解,车架的最大应力553MPa,且最大应力区域出现在焊缝位置,非常容易发生疲劳破坏,因此必须对该结构进行优化。具体应力云图和变形云图如图2和图3。

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3 车架优化分析
通过上述分析,可以确认必须对原设计车架进行适当优化,以降低主要受力区域的应力水平, 提高车架的可靠性。通过对上述分析结果的系统研究结合相关设计经验,决定对车架后连接板进行 拓扑优化分析,以确定更加合理的后连接板形状,进而提高车架强度和刚度。优化求解时,为了降低求解时间,前车架采用四边形单元进行求解。具体方案如图4所示。

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3.1 优化变量
为了得到后连接板更合理的结构,在保证原设计车架各零部件基本的装配关系的前提下,将原 来的后连接板用一块理想化的模板进行代替,将其作为设计空间,如图 4 所示。通过拓扑优化分析,找到后连接板更合理的材料分布。
3.2 优化目标
以整体车架应变能最小为优化目标。
3.3 优化约束
从理论上讲,后连接板没有去除材料时,整个车架的应变能最小。因此,必须对优化过程进行约束。这里以体积比作为优化约束,设置体积比上限为0.5。
3.4 优化结果
优化分析过程采用的方法为密度法。具体优化结果如图5所示。

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4 优化后车架结构分析
根据拓扑优化结果,结合三维建模软件对优化后的车架模型进行修改,改进后的模型如图 6 所 示。

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车架改进后最大应力由原 553MPa 降低到 395MPa,最大应力由关键焊缝位置转移到母材上, 如图 7 所示。由于是在某极限工况下进行分析 ,上述应力水平已经满足车架强度要求。另外,车架优化后最大变形由原来的 2.89mm 减小到 2.69mm,如图 8 所示。

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5 结论
本文应用 HyperWorks 软件对某款装载机车架进行了系统建模、分析、优化,通过计算分析找到了原设计结构的危险点。通过优化分析,得到了更加合理的车架结构。优化结构的最大应力大幅降低,关键焊缝位置的应力集中消失,大大提高了车架的可靠性。另外,优化后车架的变形也有所 减小,说明刚度也得到了加强。通过此分析项目,笔者充分体验到了HyperWorks软件在CAE建模、分析、优化上的强大功能。
6 参考文献
[1] 欧贺国,方献军,洪清泉.RADIOSS理论基础与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2013.
[2] 张胜兰,郑冬黎,郝琪等.基于HyperWorks 的结构优化技术[M].北京:机械工业出版社, 2008:117-128.
[3] Gothenburg.5.501E Welding Manual – Design and Analysis [Volvo Group Standard].Sweden: Volvo,2010 11/27/2014


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