摘要: 摇臂作为装载机工作装置的重要组成部分，是装载机的核心组成部件之一。由于装载机的工作环境大多比较恶劣，工况也比较复杂，因此结构件特别是摇臂失效的概率相对较大。针对摇臂在大载荷下容易断裂的情况，首先在三维制图软件SolidWorks中建立摇臂模型并导入到Workbench中，在赋予材料和划分网格之后，通过动力学仿真分析，对装载机工作装置进行了模拟仿真，对摇臂进行静力学分析并用拓扑优化设计对几何结构进行了优化。通过拓扑优化后的模型的最大变形和最大应力虽然有一定程度的升高，但仍在安全范围内，满足其结构安全系数要求，但其质量减少了13.01%，实现了优化。
Abstract: As a critical component of the loading mechanism, the rocker arm is one of the core components of a loader. Given that loaders frequently operate in harsh environments and under complex working conditions, structural components, especially rocker arms, are prone to failure. To address the susceptibility of rocker arms to fracture under heavy loads, an initial step is to construct a three-dimensional model of the rocker arm using SolidWorks and then import it into the Workbench platform. Upon assigning material properties and meshing, a dynamic simulation analysis is carried out to emulate the loader’s working device. The rocker arm is subjected to a static mechanical analysis, followed by a topology optimization design to refine the geometric structure. Although the maximum deformation and stress of the model increased to some extent after the topology optimization, these values remained within a safe range, fulfilling the structural safety factor requirements. Moreover, this optimization resulted in a mass reduction of 13.01%, thereby achieving the desired optimization.
1. 引言
随着建筑、矿业和物流等行业的发展，装载机在工程作业中扮演着越来越重要的角色。提高装载机的工作效率，尤其是提升其装载和卸载速度、减少操作时间，成为了迫切的需求。石磊[1]等通过对卷纸上料装置的摇臂进行结构优化，在保证材料屈服强度合格的同时，降低了键槽的最大应力。李昊甲[2]通过对采煤机壳体进行优化设计，避免了应力集中，提高了机械的使用寿命。装载机在作业过程中承受着复杂的力学作用，为了确保在各种工况下都能保持高强度和高稳定性，以避免事故发生，是摇臂优化设计中必须考虑的因素[3]。
2. 三维模型建立
如图1所示为在SolidWorks中建立的装载机摇臂三维模型，如图2所示为在SolidWorks中建立的装载机三维模型。
Figure 1. Three-dimensional model of the loader arm
图1. 装载机摇臂三维模型
Figure 2. Three-dimensional model of the loader
图2. 装载机三维模型
3. 静力学分析
3.1. 网格划分
选用四面体网格如图3所示，划分得到468,323节点，316,178单元[4]。
Figure 3. Mesh division
图3. 网格划分
3.2. 施加载荷
装载机摇臂铰接转斗油缸、动臂和连杆，受力情况复杂，因摇臂与其他部件均为销轴连接，因此载荷均匀作用在摇臂轴孔的内侧表面[5]。如图4所示为摇臂施加载荷约束。
Figure 4. Load application
图4. 施加载荷
3.3. 静力学分析
对网格划分后的模型施加约束和载荷后进入求解器求解。如图5所示为摇臂变形云图，如图6所示为应力云图。
Figure 5. Deformation contour map of the rocker arm
图5. 摇臂变形云图
Figure 6. Stress contour map of the rocker arm
图6. 摇臂应力云图
通过静力学分析可以看出，在实际工程作业的过程中，摇臂两端孔的位置的变形比较大，其他区域的变形比较小，摇臂的中间孔部位所受的应力比较大，其他区域所受的应力比较小。所以在后面的拓扑优化和尺寸优化的过程中，在保证安全使用的同时，要着重对变形位置较大和应力较大的位置进行优化，以提高优化效率[6]。
4. 拓扑优化
拓扑优化是一种在设计中常使用的优化方法，主要包括变密度法、均匀法、变厚度法和拓扑函数描述方法等，可以在一定空间区域内寻找最优结构，在保证安全使用的同时，达到减少模型冗余结构和轻量化的目的。针对上述模型存在的缺陷，利用拓扑优化对其进行优化，在保证摇臂正常工作，约束及载荷条件与静应力分析时相同的前提下，设置拓扑优化排除区域，响应类型为质量响应，保留百分比为75%。如图7所示为设置拓扑优化排除区域，其中蓝色的部位是被排除的区域。如图8所示为摇臂拓扑优化云图。
Figure 7. Topology optimization exclusion areas
图7. 拓扑优化排除区域
通过拓扑优化云图可以看出，浅色或者是未着色的区域代表材料被移除的部分，这表明这些区域对承载力或结构完整性的贡献较小，可以去除以减轻结构重量。深色区域代表材料被保留的区域，这些区域是承受力最多的部分，需要更多的材料来保证结构的强度和刚度。根据拓扑优化结果在SolidWorks中对模型进行重建，重建后的模型如图9所示。
Figure 8. Topology optimization cloud diagram of the rocker arm
图8. 摇臂拓扑优化云图
Figure 9. Rocker arm model reconstruction
图9. 摇臂模型重建
Figure 10. Deformation cloud diagram of the reconstructed model
图10. 重建后的变形云图
对重建后的模型重新进行静力学分析，验证重建模型是否满足工作要求，得到重建后最大变形为1.39 mm，最大应力为206.46 MPa。图10所示为重建后的变形云图，图11所示为重建后的应力云图。
Figure 11. Stress cloud diagram of the reconstructed model
图11. 重建应力云图
通过拓扑优化后模型最大应力和总变形量虽然有一定程度增大，但仍在安全范围内，满足其结构安全系数要求，但其质量减少了13.01%，减重效果显著，初步实现了轻量化目标。如表1所示为拓扑优化前后的对比表。
Table 1. Comparison table for before and after topology optimization
表1. 拓扑优化前后的对比
|
质量/kg |
最大变形/mm |
最大应力/MPa |
优化前 |
287.99 |
1.18 |
154.65 |
优化后 |
250.51 |
1.39 |
206.46 |
优化比对 |
13.01% |
−17.79% |
−33.50% |
5. 尺寸优化
以上下板间隔、上下板支撑柱直径为输入参数变量如图12所示。
以质量、最大变形、最大等效应力为输出变量，利用Direct Optimization插件，设置输入变量参数变化范围如表2所示。生成了25组优化设计样本，如图13所示。
通过对优化目标的设定，得到3组候选设计点，如图14所示。其中3个星代表极好，以第3组候选点为例，得到最大应力为160.76 MPA，最大变形量为1.1515 mm。进一步优化了装载机摇臂的结构，减轻了摇臂质量，减小了摇臂的最大应力。
Figure 12. Schematic diagram of parameter variables
图12. 参数变量示意图
Table 2. Range of variation for variable parameters
表2. 变量参数变化范围
变量名称 |
取值范围/mm |
上下板间隔(p1) |
80~110 |
上下板支撑柱直径(p2) |
200~240 |
Figure 13. Optimized design sample
图13. 优化设计样本
Figure 14. Candidate design points
图14. 候选设计点
以第一组候选设计点为例，与拓扑优化后的摇臂结构相比如表3所示。
Table 3. Results comparison table
表3. 结果对比表
|
最大变形/mm |
最大应力/MPa |
拓扑优化 |
1.39 |
206.46 |
尺寸优化 |
1.12 |
153.32 |
优化比例 |
19.42% |
25.74% |
6. 总结
本文针对装载机摇臂容易断裂的问题，运用建模软件SolidWorks对摇臂进行优化前后的建模，运用仿真分析软件ANSYS Workbench对工作装置进行动力学分析，优化了摇臂结构，使摇臂几何质量减轻了13.01%，成功实现了摇臂的轻量化设计，对今后装载机摇臂的优化设计具有重要意义。