工程机械轻量化方法与设计研究

第２２卷第４期　昆明理工大学学报　Ｖｏｌ　２２　Ｎｏ．４　１９９７年８月ＩＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＫＵＮＭＩＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ａｕｇ．１９９７　

．　１　机械结构轻量化设计的研究　

盲德娟朵丽霞　陶泽光　（昆　ｉ匾３　■昆明６５００９３）　／２Ｚ　

摘要研究探讨ｊ一种设计计算法，其特点是：应用设计的初始形状得到的数值　结果以及刚度矩阵的增量，便能有效而经济地解决机械结构轻量化的问题。其　

中，特别是灵敏度函数的计算方法，计算简单。执行方便。能在个人计算机上进　行计算．通过数值计算实例。证明了计算方法的正确。可靠覆其经济性，表明ｊ　

这种方法用于形状优化的设计计算是可靠而实用的．　

关键词轻量化；有限元分析；应变能：灵敏度函数　

中图分类号　Ⅲ　丰儿搁枸　评计　

通常，一个好的产品设计，往往是在综合研究所提出的各种要求的基础上，根据经验　

提出一个初始方案，然后对其进行数值计算分析。对其承载能力和使用寿命进行强度，剐　度以及可靠性分析计算等等．为能成功地得到预期目标，要反复修改和调整方案。使产品　

具有较好的使用性能，并力求节省材料和能源，在经济上能吸引人。更具有竞争力．近年　

来，由于计算机的普及和发展。给机械产品结构形状的轻基化设计提供了方便．因为能节　省材料，节省能源，提高传动性能，也使结构的最佳化，轻量化设计日愈受到各方面的关　

注和重视．因此，在约束条件之下，简便而有效地确定受载结构物体的最佳结构形状的方　法，目前在工程设计中已成为一个极为重要的课题，各国的研究者们相继提出了一些设计　

方法及解析技巧（１），（２），（３），（４）．　

对于二维和三维结构物体的形状的最佳化，通常是高阶非线性问题．而且大多数工程　

实际问题，由于其结构几何形状的不规则，材料的非线性或不均匀性等原因。要求得问题　的解析解，往往是十分困难的．但是采用有限元方法对其进行力学解析，确是非常有　

174研究与探索Research and Exploration ·探讨与创新

中国设备工程 2019.01(上)在现代汽车领域中，结构轻量化越来越重要，尤其是随着新能源汽车的兴起，体积较大的锂电池和较重的轮毂电机的重量占去大部分车身重量，如果在日后的生产中其他结构质量不减重，这无疑会生产出“超级汽车”。电池能量用在克服自身重量上比例相对增加，续航里程将会大大减少；而在航空航天领域中，蒙皮常常需要高的刚度来抵抗变形，通常飞行器蒙皮通常采用铝合金和复合材料来达到轻质化的目的，采取加厚的办法增加抵抗变形的能力，这大大加重了结构质量提高了发射成本。拓扑优化是一种发展成熟，效果明显的优化方法，在许多领域中已经应用这种方法。在满足位移、变形、刚度等工程实际情况的约束条件下，根据目标函数通过打孔去掉结构上受力较小的多余材料，达到材料的合理布局减轻结构的重量，不仅可以应用在离散体结构，还可以应用到连续体的三维结构。 点阵结构是最近十几年来一种新兴的轻质结构，它的结构和蜂窝夹层结构相似，但是里面的胞元结构不同，点阵结构里面的胞元主要由杆状结构组成四面体或金字塔等结构。对于蒙皮及类似这种需要高强度、高刚度来满足高温高压环境的重要部件来说，稳定的受力结构尤为重要，而点阵夹心板结构，具有低质量，抵抗变形能力强的特点。1 发展与应用1.1 拓扑优化拓扑优化理论概念最早起源于20世纪初国外的michell提出的精架理论，现在拓扑优化已经在汽车领域中主要应用在变速箱壳体、汽车下车身，保险杠等结构中。同济大学的高云凯、北京理工大学朱剑锋等分别对轿车下车身和变速箱壳体进行拓扑优化，他们先是在Hypermesh软件中对下车身壳和变速箱壳体体建立有限元模型，高对车身按照5种不同工况加载载荷，以车身体积为做目标函数分别进行优化分析，形成初步骨架，再根据可加工性，对现有骨架进行改造，得到最优设计。朱运用变密度法拓扑优化对变速箱壳体结构进行优化，为了提高计算效率使用一阶四面体建立有限元模型对变速箱壳体进行分析，将各档位的承载载荷参数加载到模型中，得出优化成果，在前后壳体差速器输出端布置纵向加强筋对优化结果改善后得到最终模型。 优化后下车身的最优设计结构比原来的刚度提高了一倍，质量由原来的115kg降为112kg,相对减少2.69%。弯曲工况最大应力和扭转工况下最大应力分别相对降低49.7%和3.13%。拓扑优化后的变速箱壳体最终模型，总体质量下降11.7%，使变速箱壳体表面受力均匀，不存在受力集中点，并且生产使用的材料（铝合金）的屈服应力大于壳体所受表面最大等效应力和最大主应力，满足承轴座所需刚度和硬度。运用拓扑优化对机械结构进行优化，优化后的结构材料去除了多余材料，使材料布局更加合理，有效防止机械因受力过于集中而发生形变，相对于原来的结构抵抗形变能力大大提高，且在满足所需刚度的同时，减轻了质量。在汽车领域，进行拓扑优化提高了车辆的可操控性、降低了生产成本。提高了汽车的燃油经济性，给底盘的合理布局提供了更大的空间，可以创造更宽阔的乘坐空间，因此品牌的竞争力可以得到提高。1.2 点阵结构点阵的最初是由美国的麻省理工学院、哈佛大学和英国剑桥大学在2000年初提出。这种结构相比于同等厚度的金属泡沫结构，点阵结构只是发生轴向的变形，不会出现弯曲变形，具有很强的吸能功能。点阵结构因为其特殊的胞元结构，内部有足够的空间满足散热、通电、通液或者增加其他功能的需要，同时刚度突出。主要应用制造非主承载类结构，代替厚重的金属壳体，使结构轻量化。点阵结构分为二维点阵结构和三维点阵结构，二维点阵为网状和波纹状；金属三维点阵结构主要包含四面体、金字塔和3D-Kagome等。二维点阵结构的制备方法主要有：粉末注射成形、铝型材挤压、菱形芯体切割、波纹板滚压、冲压等。三位点阵结构的制备方法有机械结构轻量化方法简析陈添（广东 广州 511300）摘要：现代机械结构设计领域中，机械结构轻量化越来越受到人们的重视，在满足工程要求的情况下设计更加轻量化的机械结构成为结构设计的发展新方向。本文主要阐述了2种可以使机械结构轻量化的方法：拓扑优化、点阵结构。并举例说明其在航空航天和汽车领域中的应用，并展望以后的发展。关键词：拓扑优化；点阵结构；机械结构量化中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）01（上）-0174-02175中国设备工程EngineeringhinaCPlant

机械设计中的结构拓扑优化与轻量化设计

随着科技的不断进步，机械工程在现代社会扮演着重要角色。机械工程师通过设计和制造机械设备，为人类的生活和工作提供便利和支持。在机械设计中，结构拓扑优化和轻量化设计是两个重要的概念，它们在提高机械设备性能和效率方面起着关键作用。

结构拓扑优化是一种通过对机械结构进行重新布局和优化，以提高结构刚度和减少重量的方法。在传统的机械设计中，设计师通常根据经验和直觉来确定结构的形状和尺寸。然而，这种方法往往无法充分利用材料的性能，导致结构过于保守和重量过大。而结构拓扑优化则通过数学模型和计算机算法，能够在满足设计要求的前提下，找到最优的结构形状和布局。

结构拓扑优化的核心思想是将结构分解为离散的单元，并通过对这些单元的布局和连接方式进行优化。常用的方法包括有限元分析、遗传算法、拓扑优化等。通过这些方法，设计师可以在不改变结构刚度和强度的情况下，减少材料的使用量，从而实现轻量化设计。轻量化设计不仅可以降低机械设备的成本，还能提高其运行效率和降低能源消耗。

在实际应用中，结构拓扑优化和轻量化设计广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工等领域。以航空航天为例，飞机的结构设计需要考虑重量、刚度和强度等因素。通过结构拓扑优化，设计师可以在保证飞机安全性的前提下，减少飞机的重量，提高燃油效率和载荷能力。类似地，汽车制造业也在不断探索轻量化设计的方法，以提高汽车的燃油经济性和减少尾气排放。

除了航空航天和汽车制造，结构拓扑优化和轻量化设计在其他领域也有广泛应用。在机械加工领域，通过优化机械结构，可以提高机床的刚度和稳定性，从而实现高精度加工。在工程机械领域，轻量化设计可以降低机械设备的自重，提高机动性和运输效率。在能源领域，结构拓扑优化可以帮助设计更高效的风力发电机和太阳能电池板。 总之，结构拓扑优化和轻量化设计在机械工程中具有重要意义。通过这些方法，机械工程师可以在满足设计要求的前提下，减少材料的使用量，提高机械设备的性能和效率。随着科技的不断发展，结构拓扑优化和轻量化设计将会在更多领域得到应用，为人类的生活和工作带来更多的便利和创新。

中国设备工程China PlantEngineering

7中国设备工程 2024.04（上）泥门启闭装置作为耙吸挖泥船上的核心疏浚装备之一，起到抛泥、卸泥的作用，是耙吸挖泥船泥舱段的核心组成部分。一套泥门启闭装置的好坏直接决定了整船的疏浚性能，而泥门插销在水上调遣以及突发天气影响时常用来固定泥门启闭装置，防止泥门启闭装置松动，保障整个泥舱系统的安全稳定。传统的泥门插销形式往往为楔形结构，整体铸造，这种形式的泥门插销强度较高且变形量较小，适合水上调遣时使用，然而其重量往往大于150kg，过大的重量常常导致其操作较为困难。随着泥舱容量的增大，泥门启闭装置的结构也逐渐增大，泥门插销亟待进行轻量化改善，提高其可操作性能。自21世纪初以来，结构优化的概念得到广泛的运用。一方面，由于结构优化可以最大限度的减少材料的使用，减少生产成本以及对环境的影响；另一方面，结构优化可以优化材料的分布，最大限度地提高零件的性能。拓扑优化是结构优化的一种形式，拓扑优化是一种根据实际的工况、约束以及性能要求等因素，对指定零件的材料分布进行优化的方法，通过拓扑优化可以得到最优的传力路径，以及满足规定的减少材料量的同时最大化结构刚度的结构形式。本文基于ANSYS仿真计算平台，将泥门插销作为研究对象，综合考虑轻量化、结构强度以及变形量，旨在得到一种较优的泥门插销形式，为未来泥门插销的设计提供参考，为后续的疏浚装备轻量化设计奠定基础。此外，轻量化设计在节省材料的同时也有助于环境保护、节能减排，响应 “碳达峰”“碳中和”政策。1 数学模型1.1 泥门插销结构

图1 泥门插销结构图泥门插销的结构类似一种楔形结构，其中，2个面为梯形，其余4个面为长方形，该结构的大致外形如图1所示。该结构上的吊耳、吊环等结构均有助于现场人员操作，便于泥门插销更好地安放到指定位置。1.2 泥门插销受力分析泥门插销是船舶水上调遣时的必备锁紧装备。其锁紧后的结构如图2所示。