三一重工拓扑优化大型工程机械轻量化技术应用实践
一、拓扑优化技术原理及过程
（1）拓扑优化技术旨在通过对结构材料分布的优化，实现结构性能的提升。其原理涉及多个关键方面。首先，定义设计变量，常见的是将单元材料密度设为变量，其值在 0 到 1 间变化，以此决定材料填充程度；也有采用水平集函数等方式，用零水平集界定结构边界与材料分布。
（2）在目标函数设定上，有多种选择。最小化结构柔度，能使结构在载荷下变形最小，提升刚度，像桥梁设计便需如此；最大化结构刚度，可增强结构抵抗变形能力，如工程机械起重臂；最小化结构重量，能实现轻量化，在航空航天等领域意义重大；还可进行多目标优化，平衡多个性能指标。
（3）约束条件同样关键。材料体积约束限制材料用量，确保在规定范围内优化；应力约束防止结构应力超许用值，避免强度破坏；位移约束控制特定部位位移，满足精度要求；稳定性约束保障受压或受弯构件不失稳。
（4）为求解优化问题，运用多种算法。基于梯度的算法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法等，利用梯度信息搜索；启发式算法，像遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等，模拟自然现象寻找最优解；此外还有混合算法，结合不同算法优势。整个过程通过不断迭代，直至达到收敛标准，确定最优材料分布方案，完成拓扑优化。
二、工程机械拓扑优化的应用场景
我们知道，通过拓扑优化，大型工程机械的结构重量可大幅降低，一般能实现 10%-30% 的减重效果。这不仅减少了材料成本，还降低了设备运行时的能耗，提高了能源利用效率。此外，优化后的结构应力分布更加均匀合理，有效改善了结构的力学性能，如提高了结构的刚度、强度和抗疲劳性能，延长了设备的使用寿命，提升了大型工程机械在复杂工况下的可靠性和稳定性。但是拓扑优化涉及大规模的数值计算，尤其是对于复杂的大型工程机械结构，计算过程耗时较长，需要高性能的计算硬件和高效的算法支持，这在一定程度上限制了其应用范围和推广速度。
目前拓扑优化技术在大型工程机械应用场景包括：
1、起重臂结构优化
在起重机等设备中，起重臂是核心受力部件。传统起重臂多采用箱型截面结构，通过拓扑优化，分析不同工况下起重臂的应力、应变分布，可将材料集中布置在高应力区域，去除低应力区域的冗余材料，使起重臂在减轻重量的同时保持甚至提升整体刚度和强度。例如，优化后的起重臂可能出现类似蜂窝状或仿生骨骼的结构，在关键部位采用加强筋或变截面设计，有效提升承载能力，降低 制造成本与能源消耗。
2、挖掘机工作装置优化
挖掘机的动臂、斗杆和铲斗等工作装置在作业过程中承受复杂多变的载荷。利用拓扑优化，根据挖掘、装卸等不同工况下的受力特点，对工作装置进行优化设计。可使动臂和斗杆在满足强度和刚度要求的基础上，实现轻量化。优化后的结构能更好地适应不同作业力的变化，提高挖掘效率，减少因应力集中导致的疲劳破坏，延长工作装置的使用寿命 。
3、装载机车架优化
装载机车架作为整机的承载基础，需承受来自货物、整机自重以及作业时的冲击载荷。通过拓扑优化，对车架的结构形式进行改进，在保证车架整体稳定性和可靠性的前提下，减少材料用量。例如，在车架的关键连接部位和受力较大区域合理增加材料厚度或采用特殊的加强结构，而在低应力区域适当减薄或镂空，优化后的车架不仅重量减轻，还能改善应力分布，提升装载机的整体性能和经济性。
三、大型工程机械轻量化技术应用实践
工程机械结构承载能力高，承载工况复杂多变，工程设备结构的安全可靠直接影响着工程施工的安全。同时结构安全系数过高，企业成本过高，市场竞争力弱。工程机械产品结构设计需要综合强度、刚度、振动、疲劳、结构轻量化等多方面的评估，保证结构设计耐久可靠性、经济实用。
三一重工技术团队持续十余年仿真试验实践攻关，建立了“基于载荷谱采集及客户等效关联、结构仿真及优化、试验加速验证”的结构设计验证方法体系，实现了搅拌车、混凝土泵车、混凝土搅拌站等产品的结构轻量化设计，产生较好的经济效益。
图 卸料支架拓扑优化仿真
1月12日20时，由成都市航空航天学会主办，仿真秀承办的“2024结构优化与智能制造创新技术报告会”第七期讲座将邀请三一重工泵路事业部数字仿真所副所长，副高级工程师，三一集团仿真技术学科带头人，仿真秀特邀专家夏学文老师做《拓扑优化大型工程机械轻量化技术应用实践》线上讲座。
2024结构优化与智能制造（七）：拓扑优化大型工程机械应用实践-仿真秀直播
