CN111597662B - 一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法及系统。该方法包括：对挖掘机工具箱受到的振动能量累积分析，得到振动分析结果；根据振动分析结果，确定挖掘机工具箱承受的应力阈值；根据应力阈值，确定约束条件；将挖掘机工具箱后筋板的厚度作为设计变量；根据设计变量，建立目标函数；根据约束条件和目标函数，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果；根据厚度分布结果，设计挖掘机工具箱。本发明能够减少挖掘机工具箱出现拉伸和断裂的问题，减少故障点，降低焊接成本。

Description

一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法及系统

技术领域

本发明涉及挖掘机工具箱设计领域，特别是涉及一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法及系统。

背景技术

挖掘机是重要的工程机械，有着推土运料的多种作用，挖掘机从纵向角度来说通常分为三部分，第一部分为下车，主要作用为行走，越沟越槽；第二部分为平台及连接件，将下部的履带部分与上部的覆盖件部分连接，实现对覆盖件的承载；第三部分为覆盖件，不同覆盖件作用不同，主泵室封闭发动机、主泵，驾驶室提供整车方向位置控制，工具箱容纳车灯，也是登高瞭望的重要台阶。目前工具箱多为薄壁件，为了防止振动过程中的受力不均通常设计为左右对称结构，但由于挖掘机工作条件较为恶劣，与普通轿车不同，尤其是在野外或者工地工作时，路面不平度较大，工具箱通常处于挖掘机纵向中轴线的左前端，在前进或者作业过程中由于横向跨度使得工具箱两侧受力不同，对中间的连接件产生单侧弯曲效果，加剧裂纹的产生和蔓延，另一方面，工具箱后侧围板为四边形结构，在左右晃动中并不稳定。

目前现有的技术通常是针对故障点进行加厚处理，工具箱在长期工作过程中由于不平衡振动产生能量累积，最终表现为应力集中，加厚可以一定程度上解决问题，对于有焊接点的位置处的加厚会提高对焊点的要求，焊接成本上升；对于没有焊接点的位置进行加厚会使得整个工具箱质量增加，对连接处产生负担，在交变载荷的作用下，惯性力增加，连接处容易出现新的故障点。

目前的优化方法，缺点比较明显，针对于工具箱此类薄壁覆盖件，通常需要框架支撑能达到较好的强度效果，而框架折弯处容易产生应力集中，通常会采用在折弯处加三角筋来缓解应力集中问题，但无法从根源解决问题，依据悬臂梁受力原理，在三角筋相对较短的连接处相当于悬臂梁的固定端，同样容易产生拉伸和断裂；工具箱整体的连接大多依靠底面的螺栓连接，在振动过程中产生的惯性力也带来了很大的连接负担。

发明内容

本发明的目的是提供一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法及系统，能够减少挖掘机工具箱出现拉伸和断裂的问题，减少故障点，降低焊接成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法，包括：

对挖掘机工具箱受到的振动能量累积分析，得到振动分析结果；

根据所述振动分析结果，确定挖掘机工具箱承受的应力阈值；

根据所述应力阈值，确定约束条件；

将挖掘机工具箱后筋板的厚度作为设计变量；

根据所述设计变量，建立目标函数；

根据所述约束条件和所述目标函数，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果；

根据所述厚度分布结果，设计挖掘机工具箱。

可选的，所述根据所述应力阈值，确定约束条件，具体包括：

根据所述应力阈值，确定应力均方根值；

根据应力均方根值采用σ_RMS≤70MPa，确定约束条件；

其中，σ_RMS表示应力均方根值。

可选的，所述根据所述设计变量，建立目标函数，具体包括：

根据所述设计变量，建立目标函数：

V＝f(D)＝s(d₁,d₂,...,d_n)

其中，s为横截面积，D＝(d₁,d₂,...,d_n)，d₁,d₂,...,d_n为材料的厚度。

可选的，所述根据所述约束条件和所述目标函数，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果，具体包括：

根据所述约束条件求解所述目标函数在应力积累最小时的解集；

根据所述解集，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果。

一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计系统，包括：

振动分析结果确定模块，用于对挖掘机工具箱受到的振动能量累积分析，得到振动分析结果；

应力阈值确定模块，用于根据所述振动分析结果，确定挖掘机工具箱承受的应力阈值；

约束条件确定模块，用于根据所述应力阈值，确定约束条件；

设计变量确定模块，用于将挖掘机工具箱后筋板的厚度作为设计变量；

目标函数建立模块，用于根据所述设计变量，建立目标函数；

厚度分布结果确定模块，用于根据所述约束条件和所述目标函数，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果；

挖掘机工具箱设计模块，用于根据所述厚度分布结果，设计挖掘机工具箱。

可选的，所述约束条件确定模块，具体包括：

应力均方根值确定单元，用于根据所述应力阈值，确定应力均方根值；

约束条件确定单元，用于根据应力均方根值采用σ_RMS≤70MPa，确定约束条件；

其中，σ_RMS表示应力均方根值。

可选的，所述目标函数建立模块，具体包括：

目标函数建立单元，用于根据所述设计变量，建立目标函数：

V＝f(D)＝s(d₁,d₂,...,d_n)

其中，s为横截面积，D＝(d₁,d₂,...,d_n)，d₁,d₂,...,d_n为材料的厚度。

可选的，所述厚度分布结果确定模块，具体包括：

解集确定单元，用于根据所述约束条件求解所述目标函数在应力积累最小时的解集；

厚度分布结果确定单元，用于根据所述解集，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明从源头解决应力集中，减少故障点，在后侧骨架处添加平面设计区域，以全局应力小于上限值为优化目标，以体积最小作为优化约束，进行迭代计算，使结构由开口四边形结构优化为稳定三角形结构，将弯折点所受的弯矩受力转化为杆的拉压，能够减少挖掘机工具箱出现拉伸和断裂的问题，减少故障点，降低焊接成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为弯矩产生原理示意图；

图2为传统后围板简化示意图；

图3为传统加强筋尾板处简化示意图；

图4为传统加筋方式疲劳实验结果示意图；

图5为拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法流程图；

图6为拓扑优化后的结果示意图；

图7为挖掘机工具箱设计结构图；

图8为拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法及系统，能够减少挖掘机工具箱出现拉伸和断裂的问题，减少故障点，降低焊接成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

现有的工具箱后部一般无加强筋，挖掘机高强度作业，左右振动不平衡，产生左右不对称的加速度，在该处支撑着上盖板的重力，可能还有人在瞭望时人的重力，因而产生不平衡作用力，而结构为下部开口结构，会产生左右扭动的趋势，加上工具箱横向跨度较大，对上部连接件或者拐角部位产生弯矩，原理如下图所示，在这些位置容易产生裂纹并加快裂纹的扩展，而通过这种框架结构能增强承重，并且十字结构能将原来的四边形结构封闭为三角形结构，更为稳定，并且将承受的弯矩转换为延加强筋方向的拉压，可以减少由于弯矩对连接处或者结构的拐角处产生的破坏，防止裂纹的产生和扩展。图1为弯矩产生原理示意图。

现有结构对比：

将现有常用的三种常用的尾板支撑结构对比分析：

方案一：用整块长方形板焊接作为支撑结构

该方法较为传统，质量较大，根据F＝ma，振动时会产生较大的力，增加连接处承受负担，并且焊接点过多，焊缝较长，增加连接难度。图2为传统后围板简化示意图。

方案二：用传统加强筋作为支撑结构

该方法减小了质量，但是在振动过程中无法完全解决弯折处应力集中的问题。图3为传统加强筋尾板处简化示意图。

试验和仿真结果均测得无十字交叉的工具箱一阶约束模态为箱体整个的大扭转，尤其以后部扭转最为剧烈，在进行疲劳试验中发现，第一阶段损坏处即为该连接处。在振动跑道的仿真中，根据振动能量值以应力RMS值(应力均方根值)作为评价标准，输入采用采集得到的加速度路面谱，输出为应力云图，结构优化前，应力RMS最大处出现在折弯位置，如若有三角形筋板，即出现在三角筋板的连接处，大小为113MPa。

挖掘机可以实现物料的运输和土方的装卸，是工程建设中最主要的工程机械之一，挖掘机工具箱可以装载车灯、扳手等重要工具，为挖掘机提供良好的夜间作业照明和野外维修保障。工具箱需要承担重量，在需要瞭望时扮演人们登高阶梯的角色，由于挖掘机作业工况复杂多变，环境恶劣，工具箱的受力复杂，往往成为故障高发部件。

传统工具箱通常会存在螺栓处易开裂、后侧筋板折弯处易开裂的问题，产生问题的原因在于整体受力不稳定，而传统的解决方案也是局部加厚，加厚同时增加了工具箱质量，在振动时增大了惯性力的影响，因而无法从根本解决其开裂问题。为了解决这类两侧振动不平衡问题，需要在结构上进行优化，既要满足不影响工具箱的正常工作，也要解决不平衡力产生的弯矩对结构造成损坏的问题，并实现质量的最小化。图4为传统加筋方式疲劳实验结果示意图。

本发明采用CAE软件的拓扑优化功能，以在给定的重量下，以减小振动能量作为优化目标。首先锁定优化目标，由于工具箱盖子部分需要实现开合，实现承载取物的作用，不便增加支撑，因此选择后部作为优化平面，将传统的U型开口结构优化为多个三角形框架构成的网络，通过局部增加封闭框架，分散焊缝，改善了焊接工艺，降低了对于焊接强度的要求。本方法设计的工具箱的拓扑结构可以推广到其他车型和其他覆盖结构件，降低重量和成本，提高可靠性。图5为拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法流程图。如图5所示，本发明的一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法，具体包括如下步骤：

步骤101：对挖掘机工具箱受到的振动能量累积分析，得到振动分析结果。

步骤102：根据所述振动分析结果，确定挖掘机工具箱承受的应力阈值。

步骤103：根据所述应力阈值，确定约束条件，具体包括：

根据所述应力阈值，确定应力均方根值；

根据应力均方根值采用σ_RMS≤70MPa，确定约束条件；

其中，σ_RMS表示应力均方根值。

优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是发生改变从而提高性能的一组参数：目标函数要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数；约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求。

优化数学模型可表述为

Minimize:f(X)＝f(x₁,x₂,…,x_n)

Subjectto:g(X)，，0 j＝1,…,m

h_k(X)，，0 k＝1,…,m_h

X是设计变量，如产品的结构尺寸等；X＝(x₁,x₂,...,x_n)，f(X)是设计目标，如各种力学性能或者重量；g(X)和h(X)是需要进行约束的设计响应，如对产品工作时的变形和应力水平进行约束。

步骤104：将挖掘机工具箱后筋板的厚度作为设计变量。

以挖掘机前进方向为x轴，以垂直于地面方向为z轴，根据右手定则得到横向为y轴，建立坐标系。为了有限空间中找到最少的材料来满足要求，因此以后筋外边框为外边界，以x方向为法向建立平面，该平面即为设计区域。即设计变量为整块后筋板的厚度分布，因此设计变量表达式为D＝(d₁,d₂,...,d_n)。

步骤105：根据所述设计变量，建立目标函数，具体包括：

根据所述设计变量，建立目标函数：

V＝f(D)＝s(d₁,d₂,...,d_n)

其中，s为横截面积，D＝(d₁,d₂,…,d_n)，d₁,d₂,...,d_n为材料的厚度。

目标函数要求最优的设计性能，是关于设计变量的函数，目标函数为要在有限的空间中找到最少的材料来满足要求，因此目标函数为V＝V_min，目标为质量最轻，体积最小。

拓扑优化目标为寻找最优材料分布，目标函数为设计变量的函数。根据V＝sd以及设计变量的表达式，可以得出目标函数为V＝f(D)＝s(d₁,d₂,...,d_n)，其中s为横截面积，d为材料的厚度。

步骤106：根据所述约束条件和所述目标函数，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果，具体包括：

根据所述约束条件求解所述目标函数在应力积累最小时的解集。

根据所述解集，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果。

由于我们需求在满足约束条件的基础上满足质量最小，因此目标函数的数学模型可以表述为：

Minimize:V＝f(D)＝s(d₁,d₂,...,d_n)

研究基于应力积累最小为目标的工具箱后支撑所属的平面结构优化，为改善整体连接刚度，减小由变形累积而带来疲劳破坏问题等，因此，以减小整个工具箱应力累积为目标，即以工具箱整体应力均方根值小于70MPa为优化约束。对上述公式求得解集即为挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果。

步骤107：根据所述厚度分布结果，设计挖掘机工具箱。

通过软件定义后板初始厚度为2mm，优化后最小厚度为0mm。由于材料一定，因此材料密度为常熟，目标函数为质量最小可简化为体积最小，定义拓扑优化目标函数为结构的体积，即要对后板优化后体积进行控制，寻找最优材料分布。约束条件为应力均方根值不超过70MPa进行计算。通过在设计目标平面上一步一步迭代，15步之后收敛，在软件中查看计算结果，出现拓扑优化后的结果，即厚度分布结果，在图中，颜色越浅表示需要的材料越少。

对优化结果云图进行分析：

白的部分表示厚度为可以忽略，由白色到黑色表示厚度增加，由图可以看出，左上、左下、右上、右下均为白色，也就是原有三角支撑筋在该平面上并没有材料分布，表示原有的四个加强筋并没有起到关键性加强结构的作用，因此删去原有的四角加强筋。

根据图中显示的颜色分布，在工艺上，制作厚度阶梯分布的杆件成本高，并且在连接处焊接点过于集中，为了降低生产成本，不进行厚度的增加，把颜色偏深的颜色处用更多的平铺材料来代替。

因此，基于拓扑优化计算结果即厚度分布结果，提出工具箱后板结构优化思路和改进方案如下：

(1)求得的四角加强筋的厚度为0，删去原有的四角加强筋。

(2)在支撑筋处进行三点焊接，焊接一倒V型钣金。如图7中所示，在后支撑架处焊接后支撑筋。

(3)不进行其他位置的加厚处理。

本发明从源头解决应力集中，减少故障点，在后侧骨架处添加平面设计区域，以全局应力小于上限值为优化目标，以体积最小作为优化约束，进行迭代计算，使结构由开口四边形结构优化为稳定三角形结构，将弯折点所受的弯矩受力转化为杆的拉压，能够减少挖掘机工具箱出现拉伸和断裂的问题，减少故障点，降低焊接成本。

以下为三种方案振动能量对比表格：

由上表可知优化后的振动能量被明显分散，也减少了质量。

最终设计如图7所示。图7为挖掘机工具箱设计结构图。图7中的符号说明如下：1-左支撑架，2-右支撑架，3-中支撑架，4-左滑杆，5-右滑杆，6-左连接块，7-右连接块，8-后支撑架，9-后支撑筋，10-上盖板，11-前盖板，12-左盖板，13-右盖板，14-后盖板，15-后垫板，16-加厚板。图7中，骨架形成的工具箱具有稳定，结构强度高的特点，相比于传统普通薄板件焊接具有寿命更长、使用更安全的优势。由骨架焊接薄板组形成封闭箱体，既满足了本身为结构强度相对较软的上盖板支撑，也满足了长期振动下后围板的稳定性，使工具箱的使用寿命更长，人在瞭望时安全性更高。

对应于本发明的拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法，本发明还提供一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计系统，该系统包括：

振动分析结果确定模块201，用于对挖掘机工具箱受到的振动能量累积分析，得到振动分析结果202。

应力阈值确定模块203，用于根据所述振动分析结果，确定挖掘机工具箱承受的应力阈值。

约束条件确定模块204，用于根据所述应力阈值，确定约束条件。

设计变量确定模块205，用于将挖掘机工具箱后筋板的厚度作为设计变量。

目标函数建立模块206，用于根据所述设计变量，建立目标函数。

厚度分布结果确定模块207，用于根据所述约束条件和所述目标函数，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果。

挖掘机工具箱设计模块208，用于根据所述厚度分布结果，设计挖掘机工具箱。

所述约束条件确定模块204，具体包括：

应力均方根值确定单元，用于根据所述应力阈值，确定应力均方根值。

约束条件确定单元，用于根据应力均方根值采用σ_RMS≤70MPa，确定约束条件。

其中，σ_RMS表示应力均方根值。

所述目标函数建立模块206，具体包括：

目标函数建立单元，用于根据所述设计变量，建立目标函数：

V＝f(D)＝s(d₁,d₂,...,d_n)

其中，s为横截面积，D＝(d₁,d₂,…,d_n)，d₁,d₂,...,d_n为材料的厚度。

所述厚度分布结果确定模块207，具体包括：

解集确定单元，用于根据所述约束条件求解所述目标函数在应力积累最小时的解集。

厚度分布结果确定单元，用于根据所述解集，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计方法，其特征在于，包括：

对挖掘机工具箱受到的振动能量累积分析，得到振动分析结果；

根据所述振动分析结果，确定挖掘机工具箱承受的应力阈值；

根据所述应力阈值，确定约束条件，具体包括：

根据所述应力阈值，确定应力均方根值；

根据应力均方根值采用σ_RMS≤70MPa，确定约束条件；

其中，σ_RMS表示应力均方根值；

将挖掘机工具箱后筋板的厚度作为设计变量，具体包括：

以挖掘机前进方向为x轴，以垂直于地面方向为z轴，根据右手定则得到横向为y轴，建立坐标系；以后筋外边框为外边界，以x方向为法向建立平面，该平面即为设计区域，设计变量为整块后筋板的厚度分布，设计变量表达式为D＝(d₁,d₂,...,d_n)；

根据所述设计变量，建立目标函数，具体包括：

优化数学模型可表述为f(X)＝f(x₁,x₂,...x_n)，X是设计变量，f(X)是设计目标；

根据所述设计变量，建立目标函数：

V＝f(D)＝s(d₁,d₂,...,d_n)

其中，s为横截面积，D＝(d₁,d₂,...,d_n)，d₁,d₂,...,d_n为材料的厚度；

根据所述约束条件和所述目标函数，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果，具体包括：

根据所述约束条件求解所述目标函数在应力积累最小时的解集；

根据所述解集，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果；

根据所述厚度分布结果，设计挖掘机工具箱。

2.一种拓扑结构轻量化挖掘机工具箱设计系统，其特征在于，包括：

振动分析结果确定模块，用于对挖掘机工具箱受到的振动能量累积分析，得到振动分析结果；

应力阈值确定模块，用于根据所述振动分析结果，确定挖掘机工具箱承受的应力阈值；

约束条件确定模块，用于根据所述应力阈值，确定约束条件，具体包括：

应力均方根值确定单元，用于根据所述应力阈值，确定应力均方根值；

约束条件确定单元，用于根据应力均方根值采用σ_RMS≤70MPa，确定约束条件；

其中，σ_RMS表示应力均方根值；

设计变量确定模块，用于将挖掘机工具箱后筋板的厚度作为设计变量，具体包括：

以挖掘机前进方向为x轴，以垂直于地面方向为z轴，根据右手定则得到横向为y轴，建立坐标系；以后筋外边框为外边界，以x方向为法向建立平面，该平面即为设计区域，设计变量为整块后筋板的厚度分布，设计变量表达式为D＝(d₁,d₂,...,d_n)；

目标函数建立模块，用于根据所述设计变量，建立目标函数，具体包括：

优化数学模型可表述为f(X)＝f(x₁,x₂,...x_n)，X是设计变量，f(X)是设计目标；

目标函数建立单元，用于根据所述设计变量，建立目标函数：

V＝f(D)＝s(d₁,d₂,...,d_n)

其中，s为横截面积，D＝(d₁,d₂,...,d_n)，d₁,d₂,...,d_n为材料的厚度；

厚度分布结果确定模块，用于根据所述约束条件和所述目标函数，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果，具体包括：

解集确定单元，用于根据所述约束条件求解所述目标函数在应力积累最小时的解集；

厚度分布结果确定单元，用于根据所述解集，确定挖掘机工具箱后筋板的厚度分布结果；

挖掘机工具箱设计模块，用于根据所述厚度分布结果，设计挖掘机工具箱。