2019年6月份米其林輪胎為消除充氣輪胎過度充氣或充氣不足引起的輪胎壽命縮短，降低因輪胎漏氣或爆胎所致的相關(guān)危險(xiǎn)，推出了免充氣輪胎Uptrs。為迎合市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，緊跟國際輪胎巨頭發(fā)展步伐，我公司輪胎部門也在開發(fā)免充氣輪胎，為提高免充氣輪胎從生產(chǎn)精度及質(zhì)量穩(wěn)定性，對(duì)生產(chǎn)免充氣輪胎使用的澆注機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。
澆注機(jī)輕量化技術(shù)是在確保機(jī)身剛度和澆注精度的前提下，減輕機(jī)身重量，降低澆注機(jī)加工成本及操作困難度。而底座作為二組分澆注機(jī)主要承載部件，更是澆注機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。底座輕量化設(shè)計(jì)是在滿足底座承載性能的同時(shí)減小底座質(zhì)量，從而降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)外機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕量化研究主要集中在兩方面：一是通過改變結(jié)構(gòu)材料降低自重，二是改變結(jié)構(gòu)形式。前者不能降低生產(chǎn)成本，因而多采用后者實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。
本文從結(jié)構(gòu)上對(duì)底座進(jìn)行輕量化研究，先采用三維建模軟件Solidworks對(duì)二組分澆注機(jī)底座進(jìn)行參數(shù)化建模，并將該參數(shù)化模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析，設(shè)計(jì)了基于底座的應(yīng)力試驗(yàn)，將有限元仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的正確性，根據(jù)有限元分析結(jié)果，再采用拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化兩級(jí)優(yōu)化方法對(duì)二組分澆注機(jī)底座進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果提出相應(yīng)的底座結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。
一、底座有限元分析模型
1.模型的建立
澆注機(jī)底座為空間薄壁梁結(jié)構(gòu)，主要由矩形鋼管，鋼板（密度ρ=7.84×103kg·m-3，彈性模量E=2.068×105MPa，泊松比μ=0.3）焊接而成，該底座所受載荷主要為垂直底座平面的集中載荷，根據(jù)車架結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性原則，在建立參數(shù)化模型時(shí)對(duì)其進(jìn)行部分簡化，去除一些對(duì)分析結(jié)果影響較小的幾何特征，見圖1。
1.保溫箱托板；2.清洗罐連接板；3.澆注機(jī)轉(zhuǎn)臂連接板；4.電控柜連接梁；5.A料罐計(jì)量泵電機(jī)托板；6.B料罐計(jì)量泵電機(jī)托板；7.A罐模溫機(jī)支架連接梁；8.B罐模溫機(jī)支架連接梁
圖1 澆注機(jī)底座幾何模型
2.底座結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分
對(duì)導(dǎo)入ANSYS Workbench的三維模型定義材料屬性，選用Workbench平臺(tái)默認(rèn)的三維實(shí)體單元solid186，自由網(wǎng)格化分，網(wǎng)格尺寸定為3mm，得到底座結(jié)構(gòu)有限元模型，見圖2。共生成節(jié)點(diǎn)1036704個(gè)，單元549601個(gè)。
圖2 澆注機(jī)底座有限元模型
二、靜態(tài)應(yīng)力分析
1.結(jié)構(gòu)模型有限元分析
按照實(shí)際載荷大小與加載方式計(jì)算得到底座結(jié)構(gòu)工況載荷與位移約束，對(duì)模型進(jìn)行力的加載和邊界條件設(shè)置見圖3，底座結(jié)構(gòu)載荷作用下應(yīng)力云圖見圖4。
圖3 底座正常工況
圖4 澆注機(jī)底座靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖
在正常工況下對(duì)底座進(jìn)行有限元分析（所用材料的屈服極限σs=235MPa），最大等效應(yīng)力位于底座支腿與框架橫梁連接處附近，最大等效應(yīng)力σmax=61MPa＜σs，最大位移位于中間橫梁與A料罐計(jì)量泵電機(jī)托板連接處附近，最大位移ξmax=0.34mm。
2.改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案
通過靜力學(xué)分析后的底座有限元模型和分析結(jié)果看，底座在正常工況下所受應(yīng)力較小，底座強(qiáng)度存在較大設(shè)計(jì)余量，并且出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，為提高底座結(jié)構(gòu)合理性，避免因應(yīng)力集中造成的疲勞損壞，使減重效果更明顯，對(duì)底座模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在底座中間橫梁與A料罐計(jì)量泵電機(jī)托板連接處增加一支腿，體重比之前增加2.8kg，前后結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖5。
圖5 結(jié)構(gòu)對(duì)比
3.結(jié)構(gòu)改進(jìn)后有限元分析
改進(jìn)后的底座結(jié)構(gòu)模型所施加的載荷與位置約束，除增加一個(gè)支腿的位置約束外，其余與改進(jìn)前保持一致，對(duì)模型網(wǎng)格劃分和靜力學(xué)分析，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后應(yīng)力云圖見圖6。
圖6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后應(yīng)力分布云圖
底座結(jié)構(gòu)改進(jìn)后應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善，最大應(yīng)力為27MPa，比之前有大幅降低。最大位移0.09mm，有明顯減少。
4.底座輕量化設(shè)計(jì)
為降低底座質(zhì)量在澆注機(jī)整體質(zhì)量的比例，參考前面結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的有限元分析模型和靜力學(xué)分析結(jié)果，本文采用拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化這兩種優(yōu)化方案對(duì)澆注機(jī)模型進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。
（1）拓?fù)鋬?yōu)化
拓?fù)鋬?yōu)化以材料分布為優(yōu)化對(duì)象，主要優(yōu)化結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)底座拓?fù)鋬?yōu)化的傳統(tǒng)做法是：直接在底座結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)果建議刪除的地方，減少結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)果建議保留的地方，增加結(jié)構(gòu)厚度或?qū)挾龋源嗽黾拥鬃Y(jié)構(gòu)剛度。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重新建模，進(jìn)行力學(xué)性能分析，并和原底座結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。
將已驗(yàn)證的底座模型導(dǎo)入Shape Optimization模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中底座在正常工況下所施加的載荷和約束與靜力學(xué)分析相同，根據(jù)減重需求，將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為減重50%，優(yōu)化結(jié)果見圖7，紅色區(qū)域?yàn)椴牧峡扇コ糠?，灰色為保留材料部分，根?jù)底座實(shí)際功能及裝配要求，對(duì)紅色區(qū)域進(jìn)行材料去除處理，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，修改后拓?fù)鋬?yōu)化模型靜力學(xué)分析結(jié)果見圖8。
根據(jù)實(shí)際情況和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果修改后，底座模型最大應(yīng)力23.8MPa沒有超過需用應(yīng)力范圍，底座結(jié)構(gòu)經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化，修改后的質(zhì)量由改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的591.4kg減少到514.9kg，減重76.5kg降幅12.9%，初步完成了底座的輕量化，由于仍存在設(shè)計(jì)余量，可用尺寸優(yōu)化方法對(duì)底座進(jìn)行小范圍的精確輕量化設(shè)計(jì)。
（2）尺寸優(yōu)化
尺寸優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中最簡單直接的，主要是改變單元結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。設(shè)計(jì)變量通常取零件厚度或截面尺寸等，約束條件為滿足零件條件的多性能指標(biāo)。
澆注機(jī)底座結(jié)構(gòu)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定的，按照設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)尺寸不能做大幅改變。因此，選取底座主要承載梁矩形管的壁厚D3及保溫箱托板厚度T6作為設(shè)計(jì)變量，將底座總質(zhì)量最小作為目標(biāo)函數(shù)，將底座結(jié)構(gòu)正常工況下最大應(yīng)力σmax（不能超過所用材料的屈服極限σs=235MPa）及最大位移ξmax（不能超過垂直方向上位移許用值ξ，本文取ξ=5mm）設(shè)置為狀態(tài)變量，在ANSYS Workbench中對(duì)相應(yīng)變量參數(shù)化設(shè)置。
在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)底座模型采用與之前相同的邊界條件設(shè)置，優(yōu)化前后各設(shè)計(jì)變量的取值見圖9。
|
序號(hào) |
設(shè)計(jì)變量 |
約束下限 |
約束上限 |
初始值 |
優(yōu)化后 |
|
1 |
承載梁矩形管壁厚D3/mm |
1 |
10 |
8 |
6.015 |
|
2 |
保溫箱托板厚度T6/mm |
1 |
16.5 |
15 |
10.03 |
|
3 |
最大應(yīng)力σmax/MPa |
0 |
235 |
23.8 |
28.612 |
|
4 |
最大位移ξmax/mm |
0 |
5 |
0.09 |
0.103 |
|
5 |
底座總質(zhì)量m/kg |
—— |
—— |
514.94 |
403.17 |
圖9 優(yōu)化前后各設(shè)計(jì)變量取值
在優(yōu)化算法中選用系統(tǒng)默認(rèn)的篩選法對(duì)底座模型優(yōu)化設(shè)計(jì)， 在ANSYS Workbench中設(shè)置相應(yīng)設(shè)計(jì)變量變化范圍后，對(duì)模型尺寸優(yōu)化，得到三組參考數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況選取一組最優(yōu)數(shù)據(jù)，如圖9，可知拓?fù)鋬?yōu)化后的底座模型經(jīng)過尺寸優(yōu)化，質(zhì)量降低了111.8kg，降幅為21.7%，最大應(yīng)力有所提升但并沒超過材料的屈服極限，且存在設(shè)計(jì)余量，最大位移也未超過許用位移值。
因此，澆注機(jī)底座模型經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸優(yōu)化二級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，底座總質(zhì)量由原本的588.6kg降為403.17kg，共減輕了185.43kg，降幅為31.5%，輕量化效果明顯。尺寸優(yōu)化后應(yīng)力分布云圖和每一次迭代各厚度的變化見圖10。
圖10 尺寸優(yōu)化應(yīng)力云圖及設(shè)計(jì)變量迭代過程
三、結(jié)論
1.澆注機(jī)底座有限元模型建立，并網(wǎng)格劃分。
2.對(duì)底座有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，在底座底部增加一個(gè)支腿，能夠在不明顯增加底座質(zhì)量的前提下極大地提高底座剛度。
3.根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果，對(duì)底座進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸優(yōu)化兩級(jí)輕量化設(shè)計(jì)，使底座質(zhì)量共減輕了185.43kg，降幅為31.5%，實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。
