CN110427636A - 转塔结构拓扑优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种转塔结构拓扑优化方法，转塔结构包括多个部件，所述优化方法包括：建立转塔结构的三维模型；根据力的传递路径，依序对转塔结构模型中的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果；根据所述优化结果再次生成转塔结构的三维模型。基于工程机械力的传递途径设计出一种转塔结构的优化方法，达到了简化设计流程且优化得出的转塔结构能够满足工程机械的强度、刚度和稳定性要求的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，特别是涉及一种转塔结构拓扑优化方法。
背景技术
在工程机械中，转塔结构是重要的承载结构，是工程机械的核心组成部分。由于转塔结构承受工程机械其他零部件传递过来的荷载并起支承作用，因此在生产实际当中，会制造得相对比较保守，重量也比较大。且由于实际使用过程中复杂的使用工况，工程师在进行初始设计和计算时，需要花费大量的时间进行模型处理和简化。同时，在设计完转塔结构模型，后续进行有限元分析校核时，通常会出现部分区域应力强度过大的情况。此时一般的解决方案为整体加厚板材，或者增加构件。因此，转塔结构设计时一般具有偏高的安全系数，这样会导致转塔结构重量偏重、所需要的原材料偏多。这种情况下，一方面会引起工程机械总造价的增加，另一方面重量的增加也会引起工程机械在使用时需要更大的功率进行驱动，增加能耗。
结构优化的目的是使结构在满足一定使用功能要求下尽可能降低成本或取得最佳性能。在工程机械行业，转塔一般采用减重设计。流程通常如下：选取最不利的工况，先利用三维模型设计软件(如ProE、SolidWorks、CATIA等)对转塔结构进行初步的建模；然后利用有限元分析软件(如ANSYS、ABAQUS、MSC.Nastran、Hypermesh、COMSOL Multiphysics等)进行仿真分析；接下来根据分析得到的应力分布情况和位移结果，转回至三维模型设计软件中进行开孔减重、板材减薄、去除多余材料等操作；然后再将调整后的模型导入至有限元分析软件中进行计算。如此循环，直至转塔结构满足强度、刚度和稳定性的要求。由于上述工作需要花费设计人员和分析人员大量的精力，因此转塔结构的设计周期会很长，且得到的结构会比较复杂。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提出一种转塔结构拓扑优化方法，解决了现有技术中转塔结构设计和优化过程复杂且费时的技术问题，基于工程机械力的传递途径设计出一种转塔结构的优化方法，达到了简化设计流程的目的且优化得出的转塔结构能够满足工程机械的强度、刚度和稳定性要求的技术效果。
一种转塔结构拓扑优化方法，转塔结构包括多个部件，所述优化方法包括：
建立转塔结构的三维模型；
根据力的传递路径，依序对转塔结构模型中的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果；
根据所述优化结果再次生成转塔结构的三维模型。
作为上述转塔结构拓扑优化方法的进一步改进，所述根据力的传递路径，依序对转塔结构的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果之前，还包括：
选取转塔结构多种不同的不利工况进行受力分析，获取力的传递路径和受力数据。
作为上述转塔结构拓扑优化方法的进一步改进，所述选取转塔结构多种不同的不利工况进行受力分析，获取力的传递路径和受力数据，其中，所述受力分析包括：
对转塔结构所受的力的传递进行分析，获取力的传递路径；
对转塔结构各个部件所受的力依序进行分解，获取受力数据。
作为上述转塔结构拓扑优化方法的进一步改进，确定所述转台与转塔筒之间的接触面和转塔筒与底座之间的接触面；
利用有限元软件对所述转台的接触面施加固定约束，然后进行计算，在计算得到的结果当中提取转台与转塔筒接触面的约束反力数据；
将所述转台的约束反力数据施加至所述转塔筒上作为外加的载荷，利用有限元分析软件进行计算，获取转塔筒的受力数据，再将转塔筒与底座接触面的约束反力数据提取出来；
将所述转塔筒的约束反力数据施加至底座上作为外加的载荷，利用有限元分析软件进行计算，最终获取底座的受力数据。
作为上述转塔结构拓扑优化方法的进一步改进，根据力的传递路径，依序对转塔结构模型中的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果，包括：
根据力的传递路径，确定转塔结构各个部件的拓扑优化顺序。
作为上述转塔结构拓扑优化方法的进一步改进，所述根据力的传递路径，依序对转塔结构的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果之后，还包括：
校核优化结果是否符合强度、刚度及稳定性要求，若符合要求，进行下一步骤，若不符合要求，重复进行拓扑优化。
作为上述转塔结构拓扑优化方法的进一步改进，根据所述优化结果再次生成转塔结构的三维模型，包括：
将所述优化结果导入至三维建模软件，得到转塔结构各个部件的结构；
将转塔结构的各个部件进行装配，得到转塔结构。
相比于现有技术，本发明所述的转塔结构拓扑优化方法至少具有如下技术效果：
1、拓扑式转塔结构是结构优化后的结果，对于原有设计有了进一步的改进。拓扑式转塔结构降低了重量，因此与原有技术相比能够降低能耗，节省原材料。
2、拓扑式转塔结构在可能的结构形式上，满足了各种工况的力学性能，能够满足工程机械的强度、刚度和稳定性要求。因此，拓扑式转塔结构具备力学上的优点。
3、拓扑式转塔结构的设计优化过程相比传统的设计流程更为简洁，工作量更小，能够带来设计流程的简化，提升工作效率。
4、对于简单的三维形体组成的结构，本发明所述的拓扑式优化方法可进行一定的推广，改变初始建模或者程序即可。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明所述转塔结构的结构示意图；
图2为本发明所述转塔结构承受水平荷载受力分析示意图；
图3为本发明所述转塔结构承受竖直荷载受力分析示意图；
图4为本发明所述转塔结构承受45°荷载受力分析示意图；
图5为本发明所述转台的拓扑分析结果图；
图6为本发明所述转台调整参数之后的拓扑分析结果图；
图7为本发明所述转台的三维建模结果图；
图8为本发明所述转塔结构拓扑优化方法的流程图；
图9为本发明所述转塔结构拓扑优化方法的细分流程图；
图10为本发明所述转塔结构拓扑优化方法的另一细分流程图。
具体实施方式
本发明提供了提出一种转塔结构拓扑优化方法，解决了现有技术中转塔结构设计和优化过程复杂且费时的技术问题，基于工程机械力的传递途径设计出一种转塔结构的优化方法，达到了简化设计流程且优化得出的转塔结构能够满足工程机械的强度、刚度和稳定性要求的技术效果。
除非另外限定，否则，本文中所使用的术语(包括技术性和科学性术语)应理解为具有与本发明所属的领域中的技术人员通常所理解的意义相同的意义。而且，要理解的是，本文中所使用的术语应理解为具有与本说明书和相关领域中的意义一致的意义，并且不应通过理想的或者过度正式的意义对其进行解释，除非本文中明确这样规定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图8所示，图8为本发明所述转塔结构拓扑优化方法的流程图。
一种转塔结构拓扑优化方法，包括：
步骤S1：建立转塔结构的三维模型；
步骤S2：选取转塔结构多种不同的不利工况进行受力分析，获取力的传递路径和受力数据；具体地，可以通过手算或者简单程序获取力的传递路径和受力数据。
步骤S3：根据力的传递路径，依序对转塔结构模型中的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果；
步骤S5：根据所述优化结果再次生成转塔结构的三维模型。
上述优化步骤可循环进行直至，得到设计需要满足的效果。
如图9所示，图9为本发明所述转塔结构拓扑优化方法的细分流程图。
所述步骤S2：所述选取转塔结构多种不同的不利工况进行受力分析，获取力的传递路径和受力数据，其中，所述受力分析包括：
步骤S21：根据力学知识，对转塔结构所受的力的传递进行分析，获取力的传递路径；
步骤S22：遵循受力分析步骤，对转塔结构各个部件所受的力依序进行分解，获取受力数据。
优选地，所述步骤S3：所述根据力的传递路径，依序对转塔结构的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果之后，还包括：
步骤S4：校核优化结果是否符合强度、刚度及稳定性要求，若符合要求，进行下一步骤，若不符合要求，按照步骤S3重复进行拓扑优化。
如图10所示，图10为本发明所述转塔结构拓扑优化方法的另一细分流程图。
所述步骤S5：根据所述优化结果再次生成转塔结构的三维模型，包括：
步骤S51：将所述优化结果导入至三维建模软件，得到转塔结构各个部件的结构；
步骤S52：将转塔结构的各个部件进行装配，得到转塔结构。
如图1至图4所示，图1为本发明所述转塔结构的结构示意图；图2为本发明所述转塔结构承受水平荷载受力分析示意图；图3为本发明所述转塔结构承受竖直荷载受力分析示意图；图4为本发明所述转塔结构承受45°荷载受力分析示意图。
其中，步骤S22：所述转塔结构包括依序层叠设置的转台、转塔筒和底座，所述对转塔结构各个部件所受的力依序进行分解，获取受力数据，包括，
确定所述转台与转塔筒之间的接触面和转塔筒与底座之间的接触面；
利用有限元软件对所述转台的接触面施加固定约束，然后进行计算，在计算得到的结果当中提取转台与转塔筒接触面的约束反力数据；
将所述转台的约束反力数据施加至所述转塔筒上作为外加的载荷，利用有限元分析软件进行计算，获取转塔筒的受力数据，再将转塔筒与底座接触面的约束反力数据提取出来；
将所述转塔筒的约束反力数据施加至底座上作为外加的载荷，利用有限元分析软件进行计算，最终获取底座的受力数据。
具体地，所述转塔结构包括转台10、转塔筒20、底座30、臂架40和油缸50。
所述步骤S1中，按照工程机械实际使用的要求，利用三维建模软件(例如ProE、SolidWorks、UG、CATIA等软件)进行设计。除了必要的轴孔之外，其余部位均不采用减重设计，零部件的形状为简单的三维形体。在此阶段，材料的选用和结构的设计偏向于保守。
所述步骤S2中，根据实际使用的情况，将工程机械的各种工况进行相应的简化，选取三种极端的工况进行分析：
如图2所示，在第一种工况中，转塔结构主要承受水平荷载，在臂架40的C点处有集中力F作用，此时转塔结构承受一个较大的倾覆力矩。集中力F通过臂架40传递至转台10的A点、通过油缸50传递至转台10的D点。对于转台的前部来说，主要承受拉应力，对于转台10的后部来说，主要承受压应力作用。上述拉力和压力通过可靠连接，先传递至转塔筒20，再传递至底座30。同样的，转塔筒20的前部主要承受拉应力，后部承受压应力；底座30的前部承受拉应力，后部承受压应力，在转塔筒20和底座30相交接的部位存在应力集中的现象。
如图3所示，在第二种工况中，转塔结构主要承受竖直荷载。在竖直荷载工况的情况下，转台10、转塔筒20和底座30承受由上至下传递下来的压力荷载。此时转台10承受臂架40和油缸50向下的重力荷载，转塔筒20承受转台10加上臂架40和油缸50向下的重力荷载，类似的底座30承受转塔筒20及转台10加上臂架40和油缸50向下的重力荷载。
如图4所示，在第三种工况中，即在45°工况下，此时转塔结构的受力较为综合，既有倾覆力矩，又有一定的压力荷载存在。
通过上述分析，完成了步骤S21：对转塔结构所受的力的传递进行分析，获取力的传递路径，然后以下展开阐述步骤S22：对转塔结构各个部件所受的力依序进行分解，获取受力数据。
选用上述三种工况，是挑选具备代表性的工况进行分析，如果工程机械的实际使用还有其他的极端情况，可采取同样的方法进行分析。进一步的，进行受力分析，将各个部位所受的力进行传递和分解。如图3所示，臂架和油缸传递给转台的力；转台传递给转筒的力，转筒传递给底座的力。对于比较简单的情况，可利用平衡方程进行求解(平衡方程：∑X＝0,∑Y＝0,∑Mo＝0)。对于复杂的受力情况，可利用有限元分析软件选取接触面的所有结点，提取各结点的力的所有数据，进行支座反力的抽取。此时，将转塔结构主要分为三部分：转台10、转塔筒20和底座30。对上述支座反力的抽取举例说明：利用有限元软件ANSYS进行分析时，转台10和转塔筒20通过螺栓连接或者固定连接结合至一起，此时转台10和转塔筒20之间有一个或者数个接触面。在分析时，单独分析转台10，在ANSYS软件当中将上述接触面施加约束，然后进行计算。计算完毕后，可以通过ANSYS软件的后处理工具，将上述接触面所有的受力数据导出。然后再将上述导出的受力数据，转而施加至转塔筒20的接触面上，作为外加的荷载，再利用ANSYS软件进行计算。类似的方法，也可以用于转塔筒20和底座30的分析计过程中。
如图5至图7所示，图5为本发明所述转台的拓扑分析结果图；图6为本发明所述转台调整参数之后的拓扑分析结果图；图7为本发明所述转台的三维建模结果图。
此时根据各个部件的边界条件、约束情况和荷载信息分析完毕之后，可以进行步骤S3：根据力的传递路径，依序对转塔结构模型中的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果。此时的分析方法优先采用连续体拓扑优化方法。如图4所示，将转台的板材按照前述步骤提取出边界条件、约束情况和荷载信息后，优选的利用MATLAB进行编程。对于简单的三维形体，可通过程序中参数的调整进行建模、加载，并进行拓扑优化计算(也可利用商业软件如Optistruct、Tosca、ANSYS、COMSOL进行拓扑优化分析)。此时经过计算，得到拓扑优化之后的转台10结构形状如图5所示。进一步的，可根据实际使用情况和优化目标，例如减重要求的设定、边界条件的改变以及安全系数的改变等，对前述拓扑优化过程进行调整。如图6所示，在拓扑优化软件当中改变减重要求后，得到的转台10的拓扑优化结构如图所示。
最后进行所述步骤S5：根据所述优化结果再次生成转塔结构的三维模型。
此时，将前述拓扑优化得到的结果导入至三维建模软件如ProE、SolidWorks当中，可得到三维模型，同时也可进行一定的优化，如图7所示。按照前述由上至下的分析方法，将转塔筒20和底座30也进行拓扑优化分析，最后将各个经过拓扑优化之后的结构进行由上至下的装配，得到拓扑式转塔结构。
相比于现有技术，本发明所述的转塔结构拓扑优化方法至少具有如下技术效果：
1、拓扑式转塔结构是结构优化后的结果，对于原有设计有了进一步的改进。拓扑式转塔结构降低了重量，因此与原有技术相比能够降低能耗，节省原材料。
2、拓扑式转塔结构在可能的结构形式上，满足了各种工况的力学性能，能够满足工程机械的强度、刚度和稳定性要求。因此，拓扑式转塔结构具备力学上的优点。
3、拓扑式转塔结构的设计优化过程相比传统的设计流程更为简洁，工作量更小，能够带来设计流程的简化，提升工作效率。
4、对于简单的三维形体组成的结构，本发明所述的拓扑式优化方法可进行一定的推广，改变初始建模或者程序即可。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种转塔结构拓扑优化方法，转塔结构包括多个部件，其特征在于，所述优化方法包括：
建立转塔结构的三维模型；
根据力的传递路径，依序对转塔结构模型中的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果；
根据所述优化结果再次生成转塔结构的三维模型。
2.根据权利要求1所述的转塔结构拓扑优化方法，其特征在于：所述根据力的传递路径，依序对转塔结构的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果之前，还包括：
选取转塔结构多种不同的不利工况进行受力分析，获取力的传递路径和受力数据。
3.根据权利要求2所述的转塔结构拓扑优化方法，其特征在于：所述选取转塔结构多种不同的不利工况进行受力分析，获取力的传递路径和受力数据，其中，所述受力分析包括：
对转塔结构所受的力的传递进行分析，获取力的传递路径；
对转塔结构各个部件所受的力依序进行分解，获取受力数据。
4.根据权利要求3所述的转塔结构拓扑优化方法，其特征在于：所述转塔结构包括依序层叠设置的转台、转塔筒和底座，所述对转塔结构各个部件所受的力依序进行分解，获取受力数据，包括，
确定所述转台与转塔筒之间的接触面和转塔筒与底座之间的接触面；
利用有限元软件对所述转台的接触面施加固定约束，然后进行计算，在计算得到的结果当中提取转台与转塔筒接触面的约束反力数据；
将所述转台的约束反力数据施加至所述转塔筒上作为外加的载荷，利用有限元分析软件进行计算，获取转塔筒的受力数据，再将转塔筒与底座接触面的约束反力数据提取出来；
将所述转塔筒的约束反力数据施加至底座上作为外加的载荷，利用有限元分析软件进行计算，最终获取底座的受力数据。
5.根据权利要求3所述的转塔结构拓扑优化方法，其特征在于：根据力的传递路径，依序对转塔结构模型中的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果，包括：
根据力的传递路径，确定转塔结构各个部件的拓扑优化顺序；
根据受力数据，依序对转塔结构的各个部件进行拓扑优化。
6.根据权利要求5所述的转塔结构拓扑优化方法，其特征在于：所述根据力的传递路径，依序对转塔结构的各个部件进行拓扑优化，得到优化结果之后，还包括：
校核优化结果是否符合强度、刚度及稳定性要求，若符合要求，进行下一步骤，若不符合要求，重复进行拓扑优化。
7.根据权利要求1所述的转塔结构拓扑优化方法，其特征在于：根据所述优化结果再次生成转塔结构的三维模型，包括：
将所述优化结果导入至三维建模软件，得到转塔结构各个部件的结构；
将转塔结构的各个部件进行装配，得到转塔结构。
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| CN204976579U (zh) * | 2015-08-18 | 2016-01-20 | 中国电子科技集团公司第二十二研究所 | 一种新型多功能转台 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 邱剑 等: "桥建合一铁路客站基于桩、土、上部结构共同作用的基础设计", 《建筑技术》, vol. 46, no. 1, 15 December 2015 (2015-12-15), pages 115 - 118 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110427636B (zh) | 2024-07-12 |
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