基于HyperWorks的装载机车架结构分析及优化

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。

          

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

     

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。

      

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。

            

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。

           

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。

           

      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。

           

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。