CN104376177A - 基于工程机械结构设计的轻量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工程机械结构设计的轻量化方法，包括以下步骤：应用工程机械结构件参数化集成设计系统快速生成工程机械结构件模型；将上述经过静力学解析法的工程机械结构件模型进行简化处理；然后进行有限元分析；结合Ansys拓扑优化模块，以拓扑优化的均匀化方法对工程机械结构件模型的结构件进行优化分析，并在得出的结果基础上实行尺寸优化和形状优化，并再次利用工程机械结构件参数化集成设计系统生成设计模型，然后对得出的设计模型进行校核，校核如果没有达到设计要求，则重新进行尺寸和形状优化设计，直到达到设计要求。达到节约钢材和降低成本，并提高运行稳定性与安全性的目的。

Description

基于工程机械结构设计的轻量化方法

技术领域

本发明涉及机械设计领域，具体地，涉及一种基于工程机械结构设计的轻量化方法。

背景技术

近年来，随着工程机械行业的迅速发展，轻量化将成为行业的主要发展技术方向之一。工程机械轻量化，特别是工程机械结构的研究应用对推动工程机械快速发展有重要意义,可有效降低设备质量,提高产品性能,节约资源与能源。对降低作业过程中的能耗与废气排放、降低噪声等都具有直接影响，具有巨大的节能减耗潜力。

工程机械结构件所指的是钢板焊接结构件；比如铲斗、车架、摇臂是非常重要的承载结构，其内部结构比较复杂，它主要由若干梁板和筋板焊接而成的一个刚性框架，形成起升机构或者是运行机构部件的机座或支架。这种机械结构布局要求焊接工艺良好，但是存机构布置松散，尺寸偏大，重量偏重。 

我国工程机械结构件的设计制造大都具有太大的安全系数， 结构笨重， 从而导致材料浪费，基建费用增加。随着现代设计方法的出现，我国生产的工程机械结构件在此方面的问题越来越突出。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于工程机械结构设计的轻量化方法，以实现节约钢材和降低成本，并提高运行稳定性与安全性的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于工程机械结构设计的轻量化方法，包括以下步骤：

步骤一、应用工程机械结构件参数化集成设计系统快速生成工程机械结构件模型，运用静力学解析法对工程机械结构件模型中的各个主要梁进行分析，将梁的模型简化成箱型梁或工字梁截面；

步骤二、将上述经过静力学解析法的工程机械结构件模型进行简化处理，然后再以*.x_t 格式保存简化处理后工程机械结构件模型文件，并将*.x_t 格式的工程机械结构件模型文件导入到有限元分析模型中，有限元分析模型从总体和局部上模拟和组合工程机械结构件模型，并对工程机械结构件模型进行动静态的线性与非线性分析；

步骤三、结合 Ansys 拓扑优化模块，以拓扑优化的均匀化方法对工程机械结构件模型的结构件进行优化分析，并在得出的结果基础上实行尺寸优化和形状优化，并再次利用工程机械结构件参数化集成设计系统生成设计模型，然后对得出的设计模型进行校核，校核如果没有达到设计要求，则重新进行尺寸和形状优化设计，直到达到设计要求。 

优选的，所述工程机械结构件参数化集成设计系统，是基于UG8.0 三维软件对工程机械结构件进行建模的系统。

优选的，所述步骤二中有限元分析模型从总体和局部上模拟和组合工程机械结构件模型，并对工程机械结构件模型进行动静态的线性与非线性分析具体为：采用有限元法，首先将其分解为独立的梁进行分析；然后将工程机械结构件作为整体框架计算，并对它们进行模态和静力学分析，得出结构整体的应力分布，并和材料许用应力比较。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过模拟建模对机械结构进行仿真，然后对仿真模型进行优化，从而采用合理的结构，减轻结构件自重，并优化结构件的应力分布， 达到节约消耗钢材和降低成本，并提高运行稳定性与安全性的目的。同时还因减轻了各部结构所承受的载荷而节省大量材料费用。 

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的基于工程机械结构设计的轻量化方法的原理框图；

图2为发明实施例所述的工程机械结构件参数化集成设计系统建模使用参考图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于工程机械结构设计的轻量化方法，包括以下步骤：

步骤一、应用工程机械结构件参数化集成设计系统快速生成工程机械结构件模型，运用静力学解析法对工程机械结构件模型中的各个主要梁进行分析，将梁的模型简化成箱型梁或工字梁截面；

步骤二、将上述经过静力学解析法的工程机械结构件模型进行简化处理，然后再以*.x_t 格式保存简化处理后工程机械结构件模型文件，并将*.x_t 格式的工程机械结构件模型文件导入到有限元分析模型中，有限元分析模型从总体和局部上模拟和组合工程机械结构件模型，并对工程机械结构件模型进行动静态的线性与非线性分析；

步骤三、结合 Ansys 拓扑优化模块，以拓扑优化的均匀化方法对工程机械结构件模型的结构件进行优化分析，并在得出的结果基础上实行尺寸优化和形状优化，并再次利用工程机械结构件参数化集成设计系统生成设计模型，然后对得出的设计模型进行校核，校核如果没有达到设计要求，则重新进行尺寸和形状优化设计，直到达到设计要求。其中Ansys 拓扑优化和静力学解析法均为现有技术。

工程机械结构件参数化集成设计系统，是基于UG8.0 三维软件对工程机械结构件进行建模的系统。工程机械结构件参数化集成设计系统也可以基于CAD等工程画图软件进行建立。

步骤二中有限元分析模型从总体和局部上模拟和组合工程机械结构件模型，并对工程机械结构件模型进行动静态的线性与非线性分析具体为：采用有限元法，首先将其分解为独立的梁进行分析；然后将工程机械结构件作为整体框架计算，并对它们进行模态和静力学分析，得出结构整体的应力分布，并和材料许用应力比较。

对材料许用应力的分析，使得本发明在结构优化中使用新型轻量化钢材，该新型轻量化钢材为特种耐磨钢，使用特种耐磨钢代替传统普通钢板：由于特种耐磨钢强度比普通钢强度高2-3倍，在同等强度条件下．用特种耐磨钢比用普通钢制作零部件壁薄或整体外形尺寸小，使零部件质量减轻。

特种耐磨钢有高硬度、高强度也有较好的韧性等优点，具有良好的耐磨性并且可焊接。应用于挖掘机的抓斗，装载机铲斗，平地机主切削板和煤矿刮板运输机用的中板、槽帮上。特种耐磨钢为JM550高强耐磨钢板。

特种耐磨钢的成分如表1所示；

。

表1、特种耐磨钢的成分表。

特种耐磨钢的机械性能可以与高锰钢和中、高合金耐磨钢相媲美。JM550高强耐磨钢板在同等使用条件下比普通钢板高3-5倍的使用寿命。使用这种钢材能极大地延长机器和设备的使用寿命。

JM550高强耐磨钢板性能指标如下:

1、抗拉强度≥1250MPa

2、锻后伸长率≥10A50mm/%；

3、-20℃冲击吸收功率≥241KV2/J；

4、洛氏硬度为HRC39~46；

5、使用寿命普通结构钢耐磨刀板的3-5倍；

6、性价比高，价格比国外进口材料低50%。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于工程机械结构设计的轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、应用工程机械结构件参数化集成设计系统快速生成工程机械结构件模型，运用静力学解析法对工程机械结构件模型中的各个主要梁进行分析，将梁的模型简化成箱型梁或工字梁截面；

步骤二、将上述经过静力学解析法的工程机械结构件模型进行简化处理，然后再以*.x_t 格式保存简化处理后工程机械结构件模型文件，并将*.x_t 格式的工程机械结构件模型文件导入到有限元分析模型中，有限元分析模型从总体和局部上模拟和组合工程机械结构件模型，并对工程机械结构件模型进行动静态的线性与非线性分析；

步骤三、结合 Ansys 拓扑优化模块，以拓扑优化的均匀化方法对工程机械结构件模型的结构件进行优化分析，并在得出的结果基础上实行尺寸优化和形状优化，并再次利用工程机械结构件参数化集成设计系统生成设计模型，然后对得出的设计模型进行校核，校核如果没有达到设计要求，则重新进行尺寸和形状优化设计，直到达到设计要求。

2.根据权利要求1所述的基于工程机械结构设计的轻量化方法，其特征在于，所述工程机械结构件参数化集成设计系统，是基于UG8.0 三维软件对工程机械结构件进行建模的系统。

3.根据权利要求1或2所述的基于工程机械结构设计的轻量化方法，其特征在于，所述步骤二中有限元分析模型从总体和局部上模拟和组合工程机械结构件模型，并对工程机械结构件模型进行动静态的线性与非线性分析具体为：采用有限元法，首先将其分解为独立的梁进行分析；然后将工程机械结构件作为整体框架计算，并对它们进行模态和静力学分析，得出结构整体的应力分布，并和材料许用应力比较。