基于有限元的同步碎石封层车操作台拓扑优化设计.pdf

设备管理与维佟 EQUIPMENT MANAGEMENT AND MAINTENANCE
文章编号;1000033X(2015)07-0082-03
基于有限元的同步碎石封层车操作台拓扑优化设计
南静,冯政钓,钟飞2
(1.江苏省徐州机电工程高等职业学校,江苏徐州221004;2.徐工集工程机械股份有限公司,汇苏徐州221004
摘要:结合同步碎石封层车操作台结构、约東、受力等特点,通过有限元法对同步碎石封层车操作
台进行拓扑优化,根据拓扑优化的结果设计了新的操作台结构。经过对优化前和优化后的操作台
模型的对比分析得出:新操作台强度和刚度都有所增强,自身重量有所减小,提升了其整体性能,降
低了成本。
关键词:同步碎石封层车;操作台;拓扑优化;有限元
中图分类号:U415.52
文献标志码:B
Optimized Topologic Design of Console of Synchronous
Chip Sealer Based on Finite Element
NAN Jing FENG Zheng-jun, ZHONG Fei
(1. Xuzhou Higher Vocational School of Mechanical & Electrical Engineering. Xuzhou 221004. Jiangsu. China
2. XCMG Construction Machinery Co. Ltd, Xuzhou 221004, Jiangsu, China)
Abstract: Combined with the structure, constraint and stress of the console of synchronous chi
sealer, finite element method was applied for topologic optimization, according to which a new
console structure was designed. Comparative analysis of the console models before and after the
optimization show that the new console has better strength and stiffness; the weight and cost are
reduced; overall performance is improved.
Key words: synchronous chip sealer; console; topologic optimization; finite element
0引言
碎石撒布器和沥青喷酒器的重力载荷作用,受力较
大,而现有的操作台结构形式分布不合理,操作台自
同步碎石封层车主要用于同步碎石封层处理,身重力、变形较大,因此本文对其结构形式进行优化。
它将沥青结合料酒布和骨料撒布同时进行,使沥青
般结构优化方法主要有三种,拓扑优化、尺寸
结合料与骨料之间有充分的接触,以达到最大限度优化以及形状优化,其中拓扑优化被业界认为是最
的结合。使用同步碎石封层车大大缩短了喷酒粘结具挑战性的设计方式。本文在给定设计空间的基础
剂与撒布骨料之间的时间间隔,使骨料颗粒能更好上,通过修改模型,得到既满足约束条件最优的结构
的植入粘结剂中,获得更好的裹覆面积,这样更容易布置形式12。
保证粘结剂和石屑之间的比例关系,提高作业效率,
也降低了施工成本。而且经过碎石封层后,路面具1原操作台有限元分析
有更好的防滑和防渗水性能,能有效地治愈路面贫
本文所研究的同步碎石封层车操作台位于车体
油、掉粒等病害,无论是高等级公路还是普通公路,后部,同车身主体结构通过焊接连接,同步碎石封层
同步碎石封层车都得到了广泛使用。
车模型如图1所示。
同步碎石封层车操作台主要用于对沥青、碎石
先对封层车操作台进行有限元分析,确定其强
洒(撒)布等工作的控制,同时悬挂碎石撒布器、沥青度和刚度。操作台有限元模型的合理性与结果的精
喷酒器等构件以及安装各种阀门、气罐。其主要受到确性有很大的关联,因此,在能合理的模仿实际结构
收稿日期:2014-12-15
EQUIPMENT MANAGEMENT AND MAINTENANCE|设备管理与维修
同步碎石封层车
操作台
石布器
沥青酒布器
图1同步碎石封层车模型
的前提下尽量的控制网格的精度,可提高分析结果
图4操作台变形云图
精度。考虑到操作台跟车身相连位置刚性较大,能拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料
承受向下的拉力和弯矩,设为全约東条件。操作台分布的问题,对于连续结构的拓扑优化,常用的拓扑
的三维模型如图2所示。
表达形式和材料差值模型方法有:均匀化方法、密度
法、变厚度法、拓扑函数描述方法。
本文采用密度法,在静力分析中保证结构的挠
度较小,考虑材料质量约東和结构的平衡,则拓扑优
化的数学模型表达式为
min C=FU=U KU
V(p)/Vo-f<0
s. t
(2)
0pm≤,≤1
式中:C为柔顺度值;K为总刚度矩阵;U为总位移矩
图2操作台三维模型
阵;F为载荷矩阵体积;V。为初始结构;V为优化结构
操作台主要的载荷来自于下端的两个洒(撒)布体积:∫为体积比;Pa为拓扑变量下限,用于避免有限
器,后端焊接在封层车的车架上,整个操作台相当于元分析奇异性,通常拓扑变量下限值取an-10。
个悬臂结构。在划分网格和施加边界条件后,进
考虑到操作台的结构特点以及所受载荷,采用
行有限元分析得到最大应力为168MPa,如图3所壳单元进行模拟。根据操作台的实际受力情况,操
示,最大应力位置在操作台右侧的中间位置,也是矩作台与车身相连处为全约束,即线位移约束U,=0,
形管相交的关节位置
U、=0,U=0;角位移约東ROT=0,ROT,=0,
ROT2=0。操作台所受载荷为自重、弯矩以及作用
在操作台上由人、撒布器、喷酒器等产生的竖直载
荷。由于拓扑优化是指在给定设计空间内找到最佳
的材料分布,或者传力路径,从而在满足各种性能的
最大应力
条件下得到强度好重量轻的设计。因此,对操
168 Mpa
作台有限元模型进行特殊化处理即补全,将需要优
图3操作台的应力分布
化的结构处用板面代替,施加载荷后,并对最大位移
操作台的最大变形为3.48mm,变形的方向与和最大应力值进行约束,以质量最小为优化目标
载荷的方向保持一致,变形较大的位置主要集中在如图5所示,在操作台的左侧面、右侧面、前端面以
操作台的外侧,远离车架,如图4所示。因此在新结及操作台中间的作业台都用板面进行了代替。
构的设计中,减轻结构重量的同时还不能减弱操作
经过67次迭代,该操作台优化后的大体形状如
台的刚度,这就要求在拓扑优化时,操作台的易变形图6所示,图中红色为受力较大、需要添加材料的区
位置的变形位移必须作为一个约束条件。
域,可用矩形管或方型钢添加;颜色越浅表示受力越
2操作合的拓扑优化
小,可用较薄的矩形管或者方形钢代替,这样就就可
以保证结构强度和刚度的同时减轻结构的重量。
结构拓扑优化的基本思路是将寻求