45MN 快锻压机活动横梁结构拓扑优化研究

技术支持 2019年11月19日浏览：2007

摘要：以 45MN 快锻压机活动横梁为优化结构，利用 solidThinking Inspire 拓扑优化分析软件，以活动横梁整体刚度最大为优化目标，以设计空间的质量降低 65%为约束函数，建立活动横梁的优化分析模型，利用先进的 OptiStruct 优化求解器进行优化求解，得到活动横梁的最优设计方案。并对最优设计方案进行 3D 模型再造及设计强度分析，验证活动横梁拓扑优化分析结果的可靠性。

关键字：快锻压机活动横梁 solidThinking Inspire 拓扑优化

1 前言

大型锻压机作为一种重要的金属压力加工设备，其在国民经济各部门获得了广泛的应用。锻压机大都采用三梁（上梁、下梁和活动横梁）的结构型式，其主要结构一般由铸钢浇铸而成。活动横梁一般承受液压缸柱塞的输出力及砧子压缩工件的反力作用，是锻压机的主要受力部件，同时，活动横梁的刚度将直接影响锻压机的成型精度。因此，在锻压机的设计中，如何做到使活动横梁的刚度强度达到设计要求就成了大型锻压机设计的关键技术之一。采用现代设计方法对活动横梁进行结构优化设计，对提高使用寿命、成型精度、增加经济效益具有重要意义[1]。文献[2-6]研究了机架、上横梁、组合式下横梁的结构有限元强度刚度分析，并注明了分析中的关键步骤和注意事项。文献[7]利用有限元分析的方法进行强度校核-结构改进-再校核-再改进的方式完成了上横梁结构改进设计。目前尚无活动横梁概念优化设计方面研究的报道。

以往在对锻压机主要结构件进行“优化设计”，主要依靠人工反复“修正设计参数-再分析”的方法来寻找较优的设计方案，不仅过程冗长，而且结果受人工干预的因素较多。本文将基于 solidThinking Inspire的拓扑优化方法，提出活动横梁的概念设计。以模型整体刚度最大为优化目标，同时使模型的强度满足设计要求，改变传统经验设计。通过对 45MN 快锻压机活动横梁的设计验证，取得了明显的经济效益，而且极大的提高了设计的效率和改善了产品结构的合理性。

2 活动横梁的分析

活动横梁与工作缸的柱塞相连以传递液压机的作用力，左右两边安装有导向套，以立柱为往复运动的导向，下表面安装和固定模具或砧子，因此活动横梁应有足够的承压能力，同时活动横梁还应具有一定的刚度与抗弯能力。活动横梁的安装布置形式如图 1 所示。立柱通过上下横梁组成的机架部件安装于地面上，所以可以认为是相对固定的部分，活动横梁通过导向套与立柱相连，所以可以将活动横梁的受力及约束状态用如图 2 所示表达。

图 1 活动横梁装配示意图 1-活动横梁；2-立柱；3-导套

图 2 活动横梁受力及约束状态

3 活动横梁的拓扑优化分析

3.1 solidThinking Inspire 软件介绍

solidThinking Inspire 是数字产品开发中的一项具有开拓性的成果，它在一个友好易用的软件环境中提供了仿真驱动设计的工具。它应用于设计的早期，帮助用户生成和探索高效的结构基础。 solidThinking Inspire 采用美国 Altair 公司先进的 OptiStruct 优化求解器，根据给定的设计空间、材料属性及受力需求生成理想的形状，根据软件生成的结果进行再设计。应用 Inspire 进行前期概念设计，既能提升产品的结构质量，同时又奠定了优越的结构基础，从而提升了整个设计流程的效率。

3.2 活动横梁拓扑优化分析模型的建立

用于拓扑优化分析的活动横梁模型需要满足以下条件：拓扑优化分析的前提要保证活动横梁的安装及与液压缸、上砧总成的配合安装，所以按照设计的总体尺寸大小，首先确定预留安装位置的大小及尺寸，将剩下的部分定义为设计空间，如图 3 所示。

图 3 活动横梁拓扑优化分析模型的建立及约束的施加

3.3 拓扑优化分析及模型验证分析用材料及属性

拓扑优化分析中所使用的材料为 ZG270-500，其材料属性如表一所示：

表一 ZG270-500 材料的材料属性（SI）

3.4 拓扑优化分析的单位制

在 solidThinking Inspire 软件中，存在六种单位制可供选择，本次优化分析选择目前工程上使用较多的一种单位制mm-kg-s，具体的单位制如表二所示：

表二拓扑优化分析的单位制选择

3.5 拓扑优化分析的约束条件

活动横梁的约束条件的原理如图 2 所示，所以将活动横梁分析模型的安装导向套的部分施加 x、 z 方向的约束，释放 y 方向约束。活动横梁与上砧总成连接的部分提供反作用力，属于位移边界条件，所以施加 y 方向的约束，释放 x、z 方向约束。活动横梁上部安装有三个不同的油缸，按照极限工况，中间液压缸输出 29MN 作用力，两端侧缸各输出 8MN 作用力。活动横梁拓扑优化分析的约束条件的施加如图 3 所示。

3.6 拓扑优化分析的形状控制

从图 1 所示的活动横梁模型示意图中可以看出，活动横梁满足两个方向上的对称条件，所以激活竖直与左右两个对称平面。在水平面上施加一个拔模方向的控制，在分模平面上可以按照受力情况局部控制材料的增减。形状控制如图 3 所示。

3.7 拓扑优化分析选项

在 Run Optimization 窗口，选择 Mass target（质量目标）为“% of Total Design Space Volume （总设计空间体积的百分比）”，并选择百分比为 35%。在 Thickness control（厚度控制）选项中，控制 Minimum（最小厚度）为 50mm，控制 Maximum（最大厚度）为 300mm。在 Apply gravity （施加重力加速度）选项中，单击 Yes，控制加速度方向为-y，即考虑自身重力的影响。

3.8 活动横梁的拓扑优化分析的结果

在 solidThinking Inspire 软件中运行拓扑优化分析计算后，得到了如图 4 所示的活动横梁的优化分析结果。按照图 3 定义的设计空间的材料大幅度减少，最终形成图 4 所示的 W 形状，说明活动横梁在整个受压、受弯的使用工况下，W 形状的材料是必须存在的，同时保证了整体刚度最大。活动横梁拓扑优化的结果颠覆了传统的设计理念。

图 4 活动横梁的拓扑优化分析结果

4 优化分析模型的再造与强度刚度分析

4.1 优化分析模型的再造完成图 4 所示的拓扑优化分析后，需要将拓扑优化分析后的结果形成的拓扑优化形状在 3D 软件中进行模型再造。模型再造过程中，一是需要兼顾拓扑优化分析的结果，二是要满足设计、制造的标准，最后还要保证设计的美观，活动横梁拓扑优化分析结果的模型再造如图 5 所示。在 SolidWorks 软件中完成 3D 再造模型的建立，首先可以确定优化分析后的再造模型的质量较拓扑优化分析之前是否有所减低；其次为进行拓扑优化分析后的模型的强度分析提供 3D 模型基础。

图 5 活动横梁的拓扑优化分析后的模型再造

4.2 优化分析再造模型的前度分析

活动横梁拓扑优化分析后的结果虽然保证了最大刚度的优化目标，但是优化后的活动横梁是否满足设计的强度要求还需要进行分析判断。所以将在 SW 中建立的 3D 模型导入到 HyperMesh 软件中进行网格划分，保证强度分析中需要的优质网格。然后按照拓扑优化分析建模的相同约束条件进行受力及边界条件的处理，如图 6 所示。计算后得到的分析结果如图 7 所示，最大等效应力为 122.5MPa，设计中选择的材料为 ZG270-500，屈服极限为 270MPa，满足了设计中要求的最低安全系数为 2 的要求。