基于hyperworks的某型叉車(chē)機(jī)罩靜力學(xué)分析及尺寸優(yōu)化

1、Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集基于HyperWorks的某型叉車(chē)機(jī)罩靜力學(xué)分析及優(yōu)化合力新技術(shù)研究所- 1 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集基于HyperWorks的某型叉車(chē)機(jī)罩靜力學(xué)分析及優(yōu)化Application of HyperWorks in Tatic Strength Analysis and Size Optimization of Forklift(合力新技術(shù)研究所)摘析要：本文以某型叉車(chē)機(jī)罩在設(shè)計(jì)階段的靜強(qiáng)度分析及優(yōu)化為例，來(lái)闡述有限元分HyperWorks在叉車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，著重了應(yīng)用 HyperWorks 在叉車(chē)設(shè)計(jì)中的

2、分析流程與幾點(diǎn)注意問(wèn)題。: 機(jī)罩，有限元分析，叉車(chē)，OptiStruct，靜強(qiáng)度，優(yōu)化Abstract: This article taked the static strength analysis and size optimization of the forklifts during the designing phase for example, illuminated the application of the HyperWorks in the designing phase of the forklifts, and the analyseing process andsev

3、eral noticeable questions about that are expounded.Key words: Engine mask, Finite element analysis, Forklift, OptiStruct, Static strength, Size optimization1 引言技術(shù)的飛速發(fā)展，為在產(chǎn)前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)性評(píng)估，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高設(shè)計(jì)水平提供了廣闊的舞臺(tái)。而有限元分析已經(jīng)成為機(jī)械類分析的關(guān)鍵。通過(guò)應(yīng)用有限元分析，在生產(chǎn)前的設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)充分反映設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)通過(guò)工程分析行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。快速有效地模擬、揭示在各種工況下的狀態(tài)，可以使

4、設(shè)計(jì)者及時(shí)進(jìn)本文就以某型叉車(chē)機(jī)罩在設(shè)計(jì)階段的靜強(qiáng)度分析及優(yōu)化為例，應(yīng)用 SolidWorks 三維建模建立其幾何模型，利用 HyperMesh創(chuàng)建機(jī)罩的有限元模型并采用其OptiStruct 求解器分析叉車(chē)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的載荷工況下的強(qiáng)度，并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。- 2 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集圖 1 機(jī)罩的三維模型圖2 機(jī)罩結(jié)構(gòu)與參數(shù)機(jī)罩是整體沖壓成型的薄板件，為 1190mmx890mm，材料名稱：08AL，楊氏模量：2.1E5MPa，泊松比：0.3，屈服強(qiáng)度：230MPa，考慮到現(xiàn)有機(jī)的工作能力，壓機(jī)壓邊力通過(guò) DanaForm分析出來(lái)厚度要求低于

5、 2.5mm，為了進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)參數(shù)，決定采用HyperWorks進(jìn)行靜強(qiáng)度及優(yōu)化分析。三維實(shí)體模型：3 有限元模型的建立3.1 建立實(shí)體模型采用 SolidWorks2007 對(duì)機(jī)罩進(jìn)行實(shí)體建模并分割出受力及約束邊界區(qū)域，特別需要注意的是區(qū)域需建立在模型的同一側(cè)，這樣抽完中面不至于丟失，如圖 2 所示：圖 2 機(jī)罩割出受力及約束邊界后的三維模型圖3.2 實(shí)體模型的導(dǎo)入HyperWorks 是Altair 公司推出的通用有限元分析與優(yōu)化，它集成了設(shè)計(jì)與分析所需的工具，具有良開(kāi)放性、靈活性和友用戶界面，能夠完成線性靜態(tài)、模態(tài)、屈曲、疲勞等有限元分析，特別是優(yōu)化模塊，該模塊可以執(zhí)行不同的優(yōu)化類型，

6、有拓?fù)鋬?yōu)化，形貌優(yōu)化，形狀優(yōu)化，優(yōu)化等，用戶可以根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)值的特點(diǎn)靈活的選擇。本文所用- 3 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集的機(jī)罩是采用 SolidWorks2007 進(jìn)行實(shí)體建模,轉(zhuǎn)換成 step 文件后將模型導(dǎo)入 HyperWorks中，確保了模型的準(zhǔn)確性。3.3 網(wǎng)格劃分考慮到機(jī)罩屬于薄板沖壓件，又因?yàn)橐?jì)算不同厚度的該零件的靜強(qiáng)度，采用殼單元來(lái)分析比較方便，先將導(dǎo)入的模型進(jìn)行幾何，然后抽取中面，另格劃分的好壞決定了有限元的計(jì)算的精度和準(zhǔn)確性, 所以應(yīng)該盡可能的使網(wǎng)格劃分得規(guī)則些。四邊形單元具有較規(guī)則性, 故本文絕大多數(shù)采用 10mm 四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分

7、( 如圖 3 所示)。圖 3 機(jī)罩有限元圖初始圖3.3.1 邊界載荷及約束區(qū)域網(wǎng)格的劃分及處理邊界載荷及約束區(qū)域，采取先局部劃分，然后整合的進(jìn)行，確保這些區(qū)域的完整性與相對(duì)性。3.3.2 整體網(wǎng)格劃分劃分好各小區(qū)域網(wǎng)格后，再進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，通過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢查（Quality index）發(fā)現(xiàn)在機(jī)罩起筋處出現(xiàn)了一些列壓扁的小網(wǎng)格，分析是圓弧過(guò)渡導(dǎo)致中間連接平面很窄，網(wǎng)格為 10mm 四邊形單元時(shí)便會(huì)造成部分單元長(zhǎng)寬比例失調(diào)，于是在此處進(jìn)行了網(wǎng)格修補(bǔ)。調(diào)整后再進(jìn)行質(zhì)量檢查，完全符合質(zhì)量要求，如圖 4 所示：- 4 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集圖 4 機(jī)罩有限元最終圖3

8、.4 施加邊界條件3.4.1 Entity sets 的建立由于約束及載荷都是施加在默寫(xiě)區(qū)域，為了方便修改調(diào)整邊界條件，在這些區(qū)域建立了Entity sets，將這些 nodes 建立成集合，然后建立約束及載荷時(shí)直接選取設(shè)置大提高了效率，共建立約束與載荷兩個(gè) sets 集，如圖 5、圖 6 所示。sets，大圖 5 機(jī)罩有限元 set 圖a圖 6 機(jī)罩有限元 set 圖 b3.4.2 施加邊界條件約束條件為，固定前后三個(gè)區(qū)域，約束區(qū)域模擬的是前后固定板位置，如圖 7、圖 8。載荷分兩種工況，分別為 120kg 和 150kg，載荷區(qū)域模擬的是座椅安裝位置。并建立相關(guān)材料及屬性卡片，并加載 lo

9、adstep，為靜強(qiáng)度分析做好準(zhǔn)備。圖 7 機(jī)罩加載后有限元圖 a圖 8 機(jī)罩加載后有限元圖 b4 機(jī)罩的靜強(qiáng)度分析4.1 厚度為 2mm 的機(jī)罩靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果- 5 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集采用 Radioss 求解器求解，將材料屬性卡片厚度附為 2mm，進(jìn)行計(jì)算。4.1.12mm 厚度加載 150kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：1.79mm，等效應(yīng)力最大值：153.5MPa，如圖 9、圖 10 所示。圖 9 機(jī)罩應(yīng)力云圖 a圖 10 機(jī)罩應(yīng)力云圖 b4.1.22mm 厚度加載 120kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：1.43mm，等效應(yīng)力最大值：122.

10、8MPa，如圖 11、圖 12 所示：圖 11 機(jī)罩應(yīng)力云圖 c圖 12 機(jī)罩應(yīng)力云圖 d4.2 通過(guò)改變 propty 屬性求的 1.5mm 及 2.5mm 厚度的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果采用 Radioss 求解器求解，將材料屬性卡片厚度附為 1.5mm，進(jìn)行計(jì)算。4.2.11.5mm 厚度加載 150kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：3.61mm，等效應(yīng)力最大值：288MPa，如圖 13、圖 14 所示：- 6 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集圖 13 機(jī)罩應(yīng)力云圖 e圖 14 機(jī)罩應(yīng)力云圖 f4.2.21.5mm 厚度加載 120kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：2.8

11、9mm，等效應(yīng)力最大值：230.4MPa，如圖 15、圖 16 所示。圖 15 機(jī)罩應(yīng)力云圖 g圖 16 機(jī)罩應(yīng)力云圖 h采用 Radioss 求解器求解，將材料屬性卡片厚度附為 2.5mm，進(jìn)行計(jì)算。4.2.32.5mm 厚度加載 150kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：1.08mm，等效應(yīng)力最大值：96.9MPa，如圖 17、圖 18 所示：圖 17 機(jī)罩應(yīng)力云圖 h圖 18 機(jī)罩應(yīng)力云圖 i4.2.42.5mm 厚度加載 120kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：0.86mm，等效應(yīng)力最大值：- 7 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集77.5MPa，如圖 19、圖

12、20 所示：圖 19 機(jī)罩應(yīng)力云圖 j圖 20 機(jī)罩應(yīng)力云圖 k4.3 結(jié)果評(píng)價(jià)4.3.1 變形量的評(píng)價(jià)根據(jù)支撐點(diǎn)的位置折算理論的變形量，參照材料力學(xué)公式范圍為大于774/750=1.032mm 小于 774/500=1.548mm。2mm 厚度的加載 120kg 變形量在其范圍，且有余量。加載 150kg 變形量超標(biāo)。由于參照的材料力學(xué)公式是梁結(jié)構(gòu)，這里只能參考，并不是很準(zhǔn)確，所以采用應(yīng)力作為分析對(duì)標(biāo)參數(shù)。應(yīng)力大小的評(píng)價(jià)關(guān)于疲勞根據(jù)材料疲勞破環(huán)前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)（即）的不同，可以分為勞。疲勞材料所受的交變應(yīng)力低于材料的屈服極限斷裂前的循環(huán)次數(shù) Nf 大于 11051107 次通常用 S-N

13、曲線來(lái)描述該材料的疲勞特性。低周疲勞材料所受的交變應(yīng)力較高，接近或超過(guò)屈服極限斷裂前的循環(huán)次數(shù) Nf 少于 11041105 次通常用-N 曲線來(lái)描述該材料的疲勞特性。疲勞和低周疲由已知材料特性可知，材料的屈服強(qiáng)度為 230MPa，考慮到機(jī)罩疲勞應(yīng)屬于低周疲勞，極限應(yīng)力可以折富余。230/1.33170MPa，此時(shí) 2mm 厚度機(jī)罩應(yīng)力均滿足要求，且略有通過(guò)結(jié)果分析獲知選取的三種厚度均不是最佳結(jié)果，決定采用 HyperWorks OptiStruct模塊中的 size 優(yōu)化，期望求得最終的最優(yōu)結(jié)果。- 8 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集優(yōu)化-Size optimiz

14、ation5 機(jī)罩的優(yōu)化是 OptiStruct 中提供的另一種優(yōu)化，是設(shè)計(jì)對(duì)模型形狀有了一定的形狀設(shè)計(jì)思路后所進(jìn)行的一種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，它是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)單元的屬性，如殼單元的厚度、梁?jiǎn)卧慕孛鎸傩浴椈蓡卧膭偠燃百|(zhì)量單元的質(zhì)量等，以達(dá)到一定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如應(yīng)力、質(zhì)量、 位移等要求在目標(biāo)范圍內(nèi)。本項(xiàng)目將機(jī)罩厚度作為設(shè)計(jì)變量，變化范圍為 1mm 到2.5mm，采用體積最?。芏纫欢ǎ促|(zhì)量最?。轫憫?yīng)，節(jié)點(diǎn)號(hào)為 22377（可以查看第三部分靜強(qiáng)度分析結(jié)果獲知）的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力極限值為 170MPa 作為約束，以此來(lái)求出機(jī)罩最佳厚度。5.1 第一種工況（即加載 150kg）優(yōu)化結(jié)果進(jìn)入Size optimiz

15、ation 面板，設(shè)置好變量、響應(yīng)等參數(shù)后提交 OptiStruct 求解器進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)也可以設(shè)置屏幕 out 文件跟蹤卡片，實(shí)時(shí)求解過(guò)程相關(guān)。當(dāng)求解結(jié)束后，查看 out 文件可以看到，厚度變化范圍從 1mm 到 2.5mm 時(shí)，通過(guò) Size optimization 優(yōu)化找到最佳厚度為 1.91mm，考慮到板材厚度常用規(guī)格，建議采用 1.9mm 或者 2mm 厚度的板進(jìn)行沖壓。5.2 第二種工況（即加載 120kg）優(yōu)化結(jié)果同上，當(dāng)求解結(jié)束后，查看 out 文件可以看到，厚度變化范圍從 1mm 到 2.5mm 時(shí)，通過(guò) Size optimization 優(yōu)化找到最佳厚度為 1.73mm

16、，考慮到板材常用規(guī)格，建議采用 1.8mm厚度的板進(jìn)行沖壓。- 9 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集6 結(jié)束語(yǔ)(1) HyperMesh 具有友好界面，具有較為強(qiáng)大的幾何處理功能，可以幫助快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格，我們通過(guò) HyperMesh 建立了準(zhǔn)確的載荷區(qū)域，并對(duì)局部位置網(wǎng)格進(jìn)行特殊處理， 并為方便載荷的施加建立了 Entity sets 集，大大提高了工作效率；( 2) Radioss 求解器求解時(shí)使用內(nèi)存相對(duì)較少，求解速度快，查看結(jié)果方便、快捷。運(yùn)用 Radioss 求解器進(jìn)行靜強(qiáng)度分析后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的幾個(gè)設(shè)計(jì)值均不是最優(yōu)解，但通過(guò)靜強(qiáng)度分析，我們找到了 Size optimization（好了基礎(chǔ)；優(yōu)化）的目標(biāo)參數(shù)及響應(yīng)參數(shù)，為下一步分析打(3) Size optimization（優(yōu)化）是將變量變化過(guò)程逐行進(jìn)行計(jì)算，對(duì)變量的每個(gè)可能值都進(jìn)行了計(jì)算，最終確定最優(yōu)解，本項(xiàng)目還可以采用離散值的，指定材料的常用規(guī)格，讓其在我們給定的幾個(gè)常用值中找到最優(yōu)解，由于該項(xiàng)目板材厚度變化不大，太影響計(jì)算速度，且板材的規(guī)格在這個(gè)范圍內(nèi)也很多，所以沒(méi)有給定離散值，直接通過(guò) Sizeoptimizati