引 言
大型液壓機產(chǎn)品在機械性能上有強度和剛度兩個基本要求。傳統(tǒng)方法能夠保證性能要求，但缺乏對設計結果合理性的驗證。隨著計算機技術的發(fā)展，CAE 技術提供了強大的分析功能，可對模型進行有限元分析，從而得出任意節(jié)點的應力、應變情況，為優(yōu)化結構布局提供了科學的理論依據(jù)，為結構設計指明了方向。
1 上梁受力分析
某大型液壓機三維實體模型如圖 1 所示。該液壓機采用三梁八柱預應力拉桿組合結構，由液壓缸、拉桿、上梁、立柱、滑塊、移動工作臺、工作臺等組成。本文以上橫梁為例，對原結構進行應力、變形分析，并通過拓撲優(yōu)化理念進行輕量化結構優(yōu)化設計。
圖1 液壓機三維實體模型
上橫梁由大梁（中間）和小梁（兩側）組成，橫梁結構三維示意如圖 2 所示。上橫梁與立柱用拉桿聯(lián)接并可靠定位，以確保整機精度。
上梁為鋼板焊接形式，上表面與立柱結合面處受全約束；
下表面與每個液壓缸結合面部位受豎直向上工作壓力；下表面與立柱結合面處受預緊力；上梁本身受重力作用。極限工況分別為：每個液壓缸受力為 800 t，大梁每個立柱處受拉桿力為 375 t，小梁每個立柱處受力為115 t。
圖 2 橫梁結構三維示意圖
2 原結構靜態(tài)性能
依據(jù)極限工況，施加邊界條件和載荷，大梁、小梁位移云圖如圖 3 所示，大梁、小梁應力云圖如圖 4 所示，橫梁靜力求解結果見表 1 所列。
圖 3 大梁、小梁位移云圖
圖 4 大梁、小梁應力云圖
3 輕量化設計
3.1 優(yōu)化目標
輕量化設計的最終目的是減重，原則是保證減重后結構件的強度、剛度不降低。
3.2 拓撲優(yōu)化
以上橫梁受到極限載荷時的加權靜態(tài)應變能最小為優(yōu)化目標，進行橫梁結構拓撲優(yōu)化。邊界條件及載荷加載如圖 5 所示。
圖 5邊界條件及載荷加載
根據(jù)上橫梁所有可能的受力情況，對橫梁結構進行綜合載荷結構拓撲優(yōu)化，所得結果如圖 6所示。
（a）（b）
圖 6 綜合目標結構優(yōu)化結果
4 改進結構設計
4.1 方案設計
依據(jù)拓撲優(yōu)化結果，對整個模型內(nèi)部筋板重新布置（外 形尺寸保持不變），增加由下表面液壓缸至上表面約束部位斜 筋。液壓缸部位圓筒筋板厚度取 60 mm，斜筋厚度取 50 mm， 其余筋板均取 40 mm。具體模型方案如圖 7 所示。
4.2 新舊方案對比
改進方案與原方案筋板布置比較如圖 8 所示，改進方案 位移求解結果如圖9所示，改進方案應力求解結果如圖10所示。
圖 8 改進方案與原方案筋板布置比較
圖 9 改進方案位移求解結果
圖10 改進方案應力求解結果
5 結 語
通過對設計方案與原始方案的比較可知，本文改進方案可保證大型液壓機上橫梁的基本性能，同時減重約 16.75%， 結構受力特性良好，極限工況下最大變形和最大應力都有顯著下降，減小了橫梁質(zhì)量、整體應力及變形，滿足了輕量化要求。
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