[發(fā)明專利]一種混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110135179.1
• 申請日: 2021-02-01
• 公開（公告）號: CN112784465A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡小其;倪海敏;闕升華
• 申請（專利權(quán)）人: 柳工建機(jī)江蘇有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15;G06F30/17;G06F111/04;G06F111/06;G06F119/14
• 代理公司: 南京正聯(lián)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32243
• 代理人: 盧海洋

本發(fā)明公開了一種混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟：由于臂架在工作中主要承受豎直面的彎矩作用，為了保證臂架的剛度和強(qiáng)度要求，選擇具有矩形截面的箱型結(jié)構(gòu)為臂架的初始結(jié)構(gòu)，其上下蓋板材料均勻分布，設(shè)定為非設(shè)計區(qū)域；兩側(cè)腹板設(shè)定為優(yōu)化的設(shè)計區(qū)域；泵車的臂架系統(tǒng)由若干節(jié)臂架組成，每節(jié)臂架之間通過銷軸連接，單節(jié)臂架的邊界載荷就是銷軸所受反力，該反力隨著臂架姿態(tài)及外部載荷的變化而改變，基于子結(jié)構(gòu)法得到單節(jié)臂架的邊界載荷；以單節(jié)臂架為對象，基于變密度法，對臂架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計；根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果，得到輕量化的臂架新結(jié)構(gòu)。本發(fā)明保證臂架在多姿態(tài)工況下的力學(xué)性能，并實現(xiàn)臂架結(jié)構(gòu)的輕量化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法，特別涉及一種結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)。

背景技術(shù)

隨著高速鐵路、高速公路、橋梁、機(jī)場、港口等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，工程機(jī)械在建設(shè)過程中發(fā)揮著主力軍的作用，泵車作為其中的一員，在基礎(chǔ)建設(shè)中扮演著重要角色。隨著澆筑作業(yè)現(xiàn)場多樣化的地形對泵車的需求，長臂架成為泵車產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。由于臂架加長勢必造成其質(zhì)量的提升，不僅增加傾覆風(fēng)險，而且增加能耗，對臂架結(jié)構(gòu)開展輕量化設(shè)計對提升泵車產(chǎn)品競爭力非常重要。

對泵車臂架進(jìn)行輕量化設(shè)計的方法由兩種，即采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和輕質(zhì)材料。目前高強(qiáng)鋼、碳纖維等輕質(zhì)新型材料在工程機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用為結(jié)構(gòu)輕量化提供了多種選擇，但新材料的應(yīng)用也帶來了與之相關(guān)新型材料的設(shè)計、模具、生產(chǎn)、試驗等成本的大幅提高。從目前情況來看，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)泵車臂架輕量化是一個較好的選擇。

傳統(tǒng)的泵車臂架結(jié)構(gòu)以箱體結(jié)構(gòu)為主，也有部分桁架結(jié)構(gòu)，箱體結(jié)構(gòu)臂架的質(zhì)量較大，桁架結(jié)構(gòu)臂架的穩(wěn)定性較差。因此，如何實現(xiàn)臂架的優(yōu)化設(shè)計，使其剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均符合安全的情況下，盡量降低自身的質(zhì)量，滿足使用要求，同時實現(xiàn)節(jié)能減排，這成為泵車臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法。根據(jù)臂架結(jié)構(gòu)的受力特點，選擇具有矩形截面的箱型結(jié)構(gòu)為初始結(jié)構(gòu)，確定合理的設(shè)計區(qū)域；基于參數(shù)化驅(qū)動程序，實現(xiàn)臂架不同工況下的工作姿態(tài)，并采用子結(jié)構(gòu)法確定單節(jié)臂架的載荷邊界條件；以結(jié)構(gòu)多姿態(tài)工況的加權(quán)應(yīng)變能最小為優(yōu)化目標(biāo)，以體積分?jǐn)?shù)為約束，基于變密度法，對臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果的拓?fù)湫螒B(tài)，考慮制造的可行性，得到輕量化的臂架結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種混凝土泵車臂架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：由于臂架在工作中主要承受豎直面的彎矩作用，為了保證臂架的剛度和強(qiáng)度要求，選擇具有矩形截面的箱型結(jié)構(gòu)為臂架的初始結(jié)構(gòu)，其上下蓋板材料均勻分布，設(shè)定為非設(shè)計區(qū)域；兩側(cè)腹板設(shè)定為優(yōu)化的設(shè)計區(qū)域；

步驟2：泵車的臂架系統(tǒng)由若干節(jié)臂架組成，每節(jié)臂架之間通過銷軸連接，單節(jié)臂架的邊界載荷就是銷軸所受反力，該反力隨著臂架姿態(tài)及外部載荷的變化而改變；

2.1 建立整個臂架結(jié)構(gòu)的有限元模型；

2.2 使用Python語言編寫全參數(shù)化驅(qū)動程序，基于連桿位置驅(qū)動臂架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多姿態(tài)；

2.3 根據(jù)泵車的實際情況加載，并采用子結(jié)構(gòu)方法確定單節(jié)臂架在多姿態(tài)工況下的載荷邊界條件；

步驟3：以單節(jié)臂架為對象，施加步驟2得到的臂架多姿態(tài)載荷邊界條件，基于變密度法，以多姿態(tài)工況下結(jié)構(gòu)加權(quán)應(yīng)變能最小為優(yōu)化目標(biāo)，以體積分?jǐn)?shù)為約束，對臂架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計；數(shù)學(xué)模型為：

其中，r為單元偽密度，U為多姿態(tài)工況下的結(jié)構(gòu)的加權(quán)應(yīng)變能，V為結(jié)構(gòu)體積，V₀為原結(jié)構(gòu)體積，m為體積分?jǐn)?shù)；