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。

1、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：

1. 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；

2. 基于梯度运算的优化算法，大大提高了计算效率；

3. 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；

4. 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)

2、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，有限元模型见图 1：

图 1 车架有限元模型

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：

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：

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：

表 3 等效载荷

3、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，如图 2 所示：

图 2 形状尺寸变量

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，如图 3 和图 4 所示：

图 3 离散尺寸

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，如图 5 和图 6 所示：

图 5 质量响应

图 6 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，如图 7 和图 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：

表 4 优化结果

优化前后侧向吊载刚度对比如下表所示：

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）

4、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，测试点见图 11：

图 11 应力测试点

仿真值与测试值对比见表 6：

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：

表 7 耐久性试验工况

(a)追加 7200 次最大起重力矩，总计 22200 次

(b)追加 7800 次最大起重力矩，总计 22800 次

(c)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。

5、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。

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