【ATC优秀论文5】基于刚柔耦合的垃圾压缩车摇臂结构拓扑优化研究

本文摘要（由AI生成）：

本文主要研究了基于刚柔耦合的垃圾压缩车摇臂结构拓扑优化问题。针对摇臂自重偏大的问题，以应力作为约束条件，建立了翻筒机构在整个工作工况下以最小质量为优化目标的拓扑优化模型。在优化过程中，使用HyperMesh建立摇臂的刚柔耦合模型，对摇臂进行拓扑结构布局优化，并根据拓扑优化结果对摇臂结构进行改进设计。改进后的摇臂结构在应力水平一致情况下，质量降低10.8kg，减重约44%。同时疲劳试验结果表明新结构的疲劳寿命与原始结构相比提高7.7%，表明其结构是可靠的。

《基于刚柔耦合的垃圾压缩车摇臂结构拓扑优化研究》

杨中梁  杨增杰 郑淑萍

江苏徐工工程机械研究院有限公司

翻筒机构是垃圾压缩车重要组成部分，在垃圾压缩车上的位置如图1所示。其主要作用是抓取垃圾桶后并翻转，以便将垃圾桶内的垃圾倒入垃圾压缩车内。翻筒机构主要包括支座、翻转油缸、摇臂、拉杆、和倒料架，如图2所示。工作时翻筒油缸伸出，带动垃圾桶绕A点逆时针转动，向垃圾压缩车内倾倒垃圾，当翻筒油缸缩回时，垃圾桶回到原位。由于该翻桶机构为四连杆结构，其中的关键结构件摇臂受力复杂，计算工况很难确定。在传统设计过程中常采用类比法，设计的零部件比较笨重，虽然提高了零件可靠性，但浪费了材料，同时也加重垃圾车自重，降低垃圾车的额定装载量。因此对摇臂结构进行结构优化具有重要的理论和实际意义。文献[1]中采用有限元软件ANSYS对转向摇臂进行了拓扑优化设计；文献[2]中对摇臂结构进行最大载荷工况下的静力分析及改进设计；文献[3]中利用有限元方法对摇臂强度进行分析与改进。文献[4]和[5]对垃圾车执行机构进行了运动学和动力学仿真分析。以上方法或是只考虑单一工况或是只将摇臂作为柔性体仿真，或是整个机构全部为刚性体进行动力学仿真，与实际工作过程受力相差较大。

      图 1 垃圾压缩车与翻筒机构

      图2 翻筒机构

针对以上问题，本文以HyperMesh为前处理和计算平台，通过调用多体求解器（MotionSolve）和拓扑优化求解器（OptiStruct）将刚柔耦合、多体动力学和拓扑优化技术联合使用以模拟摇臂实际工作中所受的复杂应力状态并找出最佳的传力路径。从而作为后期结构改进的重要依据。本文创新之处在于考虑了摇臂的全工作工况，并且在翻桶机构动力学模型中将摇臂作为柔性体进行拓扑优化分析，更符合其实际受力情况。

由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统称为多体系统。根据系统中物体的力学特性不同可分为刚性多体系统、柔性多体系统和刚柔耦合多体系统。当系统中运动过程中出现物体大范围运动与物体的弹性变形的耦合，在多体系统的建模和分析当中必须将体的柔性变形考虑进来，如果有部分物体可以当作刚体来处理，那么该系统就是刚柔耦合多体系统[6]。

在刚柔耦合系统中，柔性体不仅存在整体运动，而且存在着自身的弹性变形，目前对柔性体的描述采用的是莱肯斯首先提出的混合坐标方法，将柔性体看作是有限元模型的节点的集 合，其变形视为模态振型的线性叠加。相对于局部坐标系有小的线性变形，而此局部坐标系作大的非线性整体平动和转动。每个节点的线性局部运动近似为振型或振型向量的线性叠加。

本文中以摇臂作为研究对象，将其转换为柔性体，其他部件作为刚性体考虑。在建立刚柔耦合模型的基础上对摇臂进行优化，大大提高了分析的准确性，并缩减了计算工作量。

结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布问题。目前常用的结构拓扑优化方法有：变厚度法、均质化法及相对密度法。

变厚度法的数学模型简单，但优化对象受到很大的限制，只能应用于二维拓扑问题。

      均质化方法是连续体结构拓扑优化研究中应用较广的一种物理描述方法。其基本思想是在拓扑结构的材料中引入图3所示的微结构。实体材料所占的面积可用表达式来表示，单元密度函数为，式中，0≤a≤1，0≤b≤1，是设计区域，是实体区域，是材料的密度，其设计参数是a和b。均匀化方法拓扑优化后单元的密度值介于0~1之间，得到的是一种比较模糊的拓扑结构。 

      图3 单元微结构

相对密度法是一种常用的拓扑优化方法，基本思想是不引入微结构，而是引入一种假想的相对密度在0~1之间可变的材料。它吸取了均匀化方法中的经验和成果，直接假定设计材料的宏观弹性常量与其密度的非线性关系。其中应用得比较多的是SIMP(solid isotropic microstructure with penalization)法，其基于最小柔度的优化模型如下：

设材料模型为：

则拓扑优化模型为：

其中：0＜Xmin≤Xe≤1

式中：ρ0和E0-分别是均质实体的密度和弹性矩阵；

          Xe-单元的相对密度；

        p-惩罚因子；

         U和F-分别是位移矢量、力矢量；

         K-总体刚度矩阵；

         Ue-单元位移矢量；

         Ke-单元刚度矩阵；

         N-单元总数；

       f-体积总数

图4 典型拓扑优化流程

摇臂采用Q235钢板焊接而成，其材料属性见

表1。

表1摇臂材料属性

经分析计算，摇臂在整个工作过程中最大应力为90.3MPa，远小于其许用应力156MPa，如图5所示。而摇臂质量则达到24.5 kg，相对较重，该摇臂具有减重的条件。

       图5 原始结构应力水平

为了结构拓扑优化分析的需要，填充原始摇臂主体空间并进行网格划分，为避免铰点位置rbe2刚性单元对优化结果的干扰，在如图6中的三个铰点处设置为非设计区域，其余主体部分为拓扑优化设计区域。

在进行拓扑优化前，需要确定目标函数和约束函数。在本文优化分析过程中，目标函数为设计区域质量最小，约束函数为应力小于156MPa，考虑到制造因素，增加最小尺寸约束和拔模方向约束。  

图6 摇臂拓扑优化的设计与非设计区

优化计算共迭代三次，其中第二次与第三次结果如图7所示。通过检查优化后的响应，认为本次优化结果是可信的，并且在制造上也具有可行性。

图7 优化计算迭代结果

考虑设计和制造因素后，以最后优化结果为模板，重新设计的摇臂结构如图8所示。

重新校核摇臂的应力水平：在工作过程中，摇臂最大应力132MPa，如图9所示。小于材料的许用应力，但质量仅为13.7kg，比原始结构减轻了10.8kg，减重约44%。达到了初始设计目的。

由于垃圾翻桶机构实际使用中总是承受动态载荷。有必要对改进前后摇臂结构的疲劳寿命进行验证和校核。

      在垃圾车的实际使用中，不同用户的车辆使用频率也是不同的。本论文以2013年某城区的实际垃圾车使用情况为基础对摇臂的使用寿命进行预估。该城区每日产生垃圾总量约95t，每个垃圾桶容积为0.24m3，垃圾平均密度以640kg/m3计算，该城区配备10辆垃圾压缩车，每辆车单日翻筒次数为

以十年使用寿命估计，每辆车翻筒机构使用次数为62×365×10≈23万次。

取整试验目标暂定为25万次，如图10所示。原结构和结构优化改进后摇臂疲劳寿命对比如表2所示。

      图10 摇臂结构疲劳试验

表2摇臂原结构和改进后疲劳试验对比

通过疲劳试验表明，优化改进后的摇臂疲劳寿命与原结构相比略有提高。因此新的摇臂结构满足疲劳要求。