大型液压机结构件轻量化设计

引 言

大型液压机产品在机械性能上有强度和刚度两个基本要求。传统方法能够保证性能要求，但缺乏对设计结果合理性的验证。随着计算机技术的发展，CAE 技术提供了强大的分析功能，可对模型进行有限元分析，从而得出任意节点的应力、应变情况，为优化结构布局提供了科学的理论依据，为结构设计指明了方向。

1 上梁受力分析

某大型液压机三维实体模型如图 1 所示。该液压机采用三梁八柱预应力拉杆组合结构，由液压缸、拉杆、上梁、立柱、滑块、移动工作台、工作台等组成。本文以上横梁为例，对原结构进行应力、变形分析，并通过拓扑优化理念进行轻量化结构优化设计。

图1 液压机三维实体模型

上横梁由大梁（中间）和小梁（两侧）组成，横梁结构三维示意如图 2 所示。上横梁与立柱用拉杆联接并可靠定位，以确保整机精度。

上梁为钢板焊接形式，上表面与立柱结合面处受全约束；

下表面与每个液压缸结合面部位受竖直向上工作压力；下表面与立柱结合面处受预紧力；上梁本身受重力作用。极限工况分别为：每个液压缸受力为 800 t，大梁每个立柱处受拉杆力为 375 t，小梁每个立柱处受力为115 t。

图 2 横梁结构三维示意图

2 原结构静态性能

依据极限工况，施加边界条件和载荷，大梁、小梁位移云图如图 3 所示，大梁、小梁应力云图如图 4 所示，横梁静力求解结果见表 1 所列。

图 3 大梁、小梁位移云图

图 4 大梁、小梁应力云图

3 轻量化设计

3.1 优化目标

轻量化设计的最终目的是减重，原则是保证减重后结构件的强度、刚度不降低。

3.2 拓扑优化

以上横梁受到极限载荷时的加权静态应变能最小为优化目标，进行横梁结构拓扑优化。边界条件及载荷加载如图 5 所示。

图 5边界条件及载荷加载

根据上横梁所有可能的受力情况，对横梁结构进行综合载荷结构拓扑优化，所得结果如图 6所示。

（a）（b）

图 6 综合目标结构优化结果

4 改进结构设计

4.1 方案设计

依据拓扑优化结果，对整个模型内部筋板重新布置（外 形尺寸保持不变），增加由下表面液压缸至上表面约束部位斜 筋。液压缸部位圆筒筋板厚度取 60 mm，斜筋厚度取 50 mm， 其余筋板均取 40 mm。具体模型方案如图 7 所示。

4.2 新旧方案对比

改进方案与原方案筋板布置比较如图 8 所示，改进方案 位移求解结果如图9所示，改进方案应力求解结果如图10所示。

图 8 改进方案与原方案筋板布置比较

图 9 改进方案位移求解结果

图10 改进方案应力求解结果

5 结 语

通过对设计方案与原始方案的比较可知，本文改进方案可保证大型液压机上横梁的基本性能，同时减重约 16.75%， 结构受力特性良好，极限工况下最大变形和最大应力都有显著下降，减小了横梁质量、整体应力及变形，满足了轻量化要求。