1、Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集基于HyperWorks的某型叉車機罩靜力學(xué)分析及優(yōu)化合力新技術(shù)研究所- 1 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集基于HyperWorks的某型叉車機罩靜力學(xué)分析及優(yōu)化Application of HyperWorks in Tatic Strength Analysis and Size Optimization of Forklift(合力新技術(shù)研究所)摘析要：本文以某型叉車機罩在設(shè)計階段的靜強度分析及優(yōu)化為例，來闡述有限元分HyperWorks在叉車設(shè)計中的應(yīng)用，著重了應(yīng)用 HyperWorks 在叉車設(shè)計中的

2、分析流程與幾點注意問題。: 機罩，有限元分析，叉車，OptiStruct，靜強度，優(yōu)化Abstract: This article taked the static strength analysis and size optimization of the forklifts during the designing phase for example, illuminated the application of the HyperWorks in the designing phase of the forklifts, and the analyseing process andsev

3、eral noticeable questions about that are expounded.Key words: Engine mask, Finite element analysis, Forklift, OptiStruct, Static strength, Size optimization1 引言技術(shù)的飛速發(fā)展，為在產(chǎn)前進行風(fēng)險技術(shù)性評估，保證設(shè)計質(zhì)量、提高設(shè)計水平提供了廣闊的舞臺。而有限元分析已經(jīng)成為機械類分析的關(guān)鍵。通過應(yīng)用有限元分析，在生產(chǎn)前的設(shè)計階段，運用現(xiàn)代技術(shù)充分反映設(shè)計結(jié)構(gòu)特點，利用計算機通過工程分析行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。快速有效地模擬、揭示在各種工況下的狀態(tài)，可以使

4、設(shè)計者及時進本文就以某型叉車機罩在設(shè)計階段的靜強度分析及優(yōu)化為例，應(yīng)用 SolidWorks 三維建模建立其幾何模型，利用 HyperMesh創(chuàng)建機罩的有限元模型并采用其OptiStruct 求解器分析叉車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的載荷工況下的強度，并為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。- 2 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集圖 1 機罩的三維模型圖2 機罩結(jié)構(gòu)與參數(shù)機罩是整體沖壓成型的薄板件，為 1190mmx890mm，材料名稱：08AL，楊氏模量：2.1E5MPa，泊松比：0.3，屈服強度：230MPa，考慮到現(xiàn)有機的工作能力，壓機壓邊力通過 DanaForm分析出來厚度要求低于

5、 2.5mm，為了進一步確定設(shè)計參數(shù)，決定采用HyperWorks進行靜強度及優(yōu)化分析。三維實體模型：3 有限元模型的建立3.1 建立實體模型采用 SolidWorks2007 對機罩進行實體建模并分割出受力及約束邊界區(qū)域，特別需要注意的是區(qū)域需建立在模型的同一側(cè)，這樣抽完中面不至于丟失，如圖 2 所示：圖 2 機罩割出受力及約束邊界后的三維模型圖3.2 實體模型的導(dǎo)入HyperWorks 是Altair 公司推出的通用有限元分析與優(yōu)化，它集成了設(shè)計與分析所需的工具，具有良開放性、靈活性和友用戶界面，能夠完成線性靜態(tài)、模態(tài)、屈曲、疲勞等有限元分析，特別是優(yōu)化模塊，該模塊可以執(zhí)行不同的優(yōu)化類型，

6、有拓撲優(yōu)化，形貌優(yōu)化，形狀優(yōu)化，優(yōu)化等，用戶可以根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)值的特點靈活的選擇。本文所用- 3 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集的機罩是采用 SolidWorks2007 進行實體建模,轉(zhuǎn)換成 step 文件后將模型導(dǎo)入 HyperWorks中，確保了模型的準(zhǔn)確性。3.3 網(wǎng)格劃分考慮到機罩屬于薄板沖壓件，又因為要計算不同厚度的該零件的靜強度，采用殼單元來分析比較方便，先將導(dǎo)入的模型進行幾何，然后抽取中面，另格劃分的好壞決定了有限元的計算的精度和準(zhǔn)確性, 所以應(yīng)該盡可能的使網(wǎng)格劃分得規(guī)則些。四邊形單元具有較規(guī)則性, 故本文絕大多數(shù)采用 10mm 四邊形單元進行網(wǎng)格劃分

7、( 如圖 3 所示)。圖 3 機罩有限元圖初始圖3.3.1 邊界載荷及約束區(qū)域網(wǎng)格的劃分及處理邊界載荷及約束區(qū)域，采取先局部劃分，然后整合的進行，確保這些區(qū)域的完整性與相對性。3.3.2 整體網(wǎng)格劃分劃分好各小區(qū)域網(wǎng)格后，再進行整體網(wǎng)格劃分，通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查（Quality index）發(fā)現(xiàn)在機罩起筋處出現(xiàn)了一些列壓扁的小網(wǎng)格，分析是圓弧過渡導(dǎo)致中間連接平面很窄，網(wǎng)格為 10mm 四邊形單元時便會造成部分單元長寬比例失調(diào)，于是在此處進行了網(wǎng)格修補。調(diào)整后再進行質(zhì)量檢查，完全符合質(zhì)量要求，如圖 4 所示：- 4 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集圖 4 機罩有限元最終圖3

8、.4 施加邊界條件3.4.1 Entity sets 的建立由于約束及載荷都是施加在默寫區(qū)域，為了方便修改調(diào)整邊界條件，在這些區(qū)域建立了Entity sets，將這些 nodes 建立成集合，然后建立約束及載荷時直接選取設(shè)置大提高了效率，共建立約束與載荷兩個 sets 集，如圖 5、圖 6 所示。sets，大圖 5 機罩有限元 set 圖a圖 6 機罩有限元 set 圖 b3.4.2 施加邊界條件約束條件為，固定前后三個區(qū)域，約束區(qū)域模擬的是前后固定板位置，如圖 7、圖 8。載荷分兩種工況，分別為 120kg 和 150kg，載荷區(qū)域模擬的是座椅安裝位置。并建立相關(guān)材料及屬性卡片，并加載 lo

9、adstep，為靜強度分析做好準(zhǔn)備。圖 7 機罩加載后有限元圖 a圖 8 機罩加載后有限元圖 b4 機罩的靜強度分析4.1 厚度為 2mm 的機罩靜強度計算結(jié)果- 5 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集采用 Radioss 求解器求解，將材料屬性卡片厚度附為 2mm，進行計算。4.1.12mm 厚度加載 150kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：1.79mm，等效應(yīng)力最大值：153.5MPa，如圖 9、圖 10 所示。圖 9 機罩應(yīng)力云圖 a圖 10 機罩應(yīng)力云圖 b4.1.22mm 厚度加載 120kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：1.43mm，等效應(yīng)力最大值：122.

10、8MPa，如圖 11、圖 12 所示：圖 11 機罩應(yīng)力云圖 c圖 12 機罩應(yīng)力云圖 d4.2 通過改變 propty 屬性求的 1.5mm 及 2.5mm 厚度的靜強度計算結(jié)果采用 Radioss 求解器求解，將材料屬性卡片厚度附為 1.5mm，進行計算。4.2.11.5mm 厚度加載 150kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：3.61mm，等效應(yīng)力最大值：288MPa，如圖 13、圖 14 所示：- 6 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集圖 13 機罩應(yīng)力云圖 e圖 14 機罩應(yīng)力云圖 f4.2.21.5mm 厚度加載 120kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：2.8

11、9mm，等效應(yīng)力最大值：230.4MPa，如圖 15、圖 16 所示。圖 15 機罩應(yīng)力云圖 g圖 16 機罩應(yīng)力云圖 h采用 Radioss 求解器求解，將材料屬性卡片厚度附為 2.5mm，進行計算。4.2.32.5mm 厚度加載 150kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：1.08mm，等效應(yīng)力最大值：96.9MPa，如圖 17、圖 18 所示：圖 17 機罩應(yīng)力云圖 h圖 18 機罩應(yīng)力云圖 i4.2.42.5mm 厚度加載 120kg 應(yīng)變及應(yīng)力結(jié)果：最大變形量：0.86mm，等效應(yīng)力最大值：- 7 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集77.5MPa，如圖 19、圖

12、20 所示：圖 19 機罩應(yīng)力云圖 j圖 20 機罩應(yīng)力云圖 k4.3 結(jié)果評價4.3.1 變形量的評價根據(jù)支撐點的位置折算理論的變形量，參照材料力學(xué)公式范圍為大于774/750=1.032mm 小于 774/500=1.548mm。2mm 厚度的加載 120kg 變形量在其范圍，且有余量。加載 150kg 變形量超標(biāo)。由于參照的材料力學(xué)公式是梁結(jié)構(gòu)，這里只能參考，并不是很準(zhǔn)確，所以采用應(yīng)力作為分析對標(biāo)參數(shù)。應(yīng)力大小的評價關(guān)于疲勞根據(jù)材料疲勞破環(huán)前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)（即）的不同，可以分為勞。疲勞材料所受的交變應(yīng)力低于材料的屈服極限斷裂前的循環(huán)次數(shù) Nf 大于 11051107 次通常用 S-N

13、曲線來描述該材料的疲勞特性。低周疲勞材料所受的交變應(yīng)力較高，接近或超過屈服極限斷裂前的循環(huán)次數(shù) Nf 少于 11041105 次通常用-N 曲線來描述該材料的疲勞特性。疲勞和低周疲由已知材料特性可知，材料的屈服強度為 230MPa，考慮到機罩疲勞應(yīng)屬于低周疲勞，極限應(yīng)力可以折富余。230/1.33170MPa，此時 2mm 厚度機罩應(yīng)力均滿足要求，且略有通過結(jié)果分析獲知選取的三種厚度均不是最佳結(jié)果，決定采用 HyperWorks OptiStruct模塊中的 size 優(yōu)化，期望求得最終的最優(yōu)結(jié)果。- 8 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集優(yōu)化-Size optimiz

14、ation5 機罩的優(yōu)化是 OptiStruct 中提供的另一種優(yōu)化，是設(shè)計對模型形狀有了一定的形狀設(shè)計思路后所進行的一種細節(jié)設(shè)計，它是通過改變結(jié)構(gòu)單元的屬性，如殼單元的厚度、梁單元的截面屬性、彈簧單元的剛度及質(zhì)量單元的質(zhì)量等，以達到一定的設(shè)計目標(biāo)，如應(yīng)力、質(zhì)量、 位移等要求在目標(biāo)范圍內(nèi)。本項目將機罩厚度作為設(shè)計變量，變化范圍為 1mm 到2.5mm，采用體積最小（密度一定，即質(zhì)量最小）為響應(yīng)，節(jié)點號為 22377（可以查看第三部分靜強度分析結(jié)果獲知）的節(jié)點應(yīng)力極限值為 170MPa 作為約束，以此來求出機罩最佳厚度。5.1 第一種工況（即加載 150kg）優(yōu)化結(jié)果進入Size optimiz

15、ation 面板，設(shè)置好變量、響應(yīng)等參數(shù)后提交 OptiStruct 求解器進行計算。同時也可以設(shè)置屏幕 out 文件跟蹤卡片，實時求解過程相關(guān)。當(dāng)求解結(jié)束后，查看 out 文件可以看到，厚度變化范圍從 1mm 到 2.5mm 時，通過 Size optimization 優(yōu)化找到最佳厚度為 1.91mm，考慮到板材厚度常用規(guī)格，建議采用 1.9mm 或者 2mm 厚度的板進行沖壓。5.2 第二種工況（即加載 120kg）優(yōu)化結(jié)果同上，當(dāng)求解結(jié)束后，查看 out 文件可以看到，厚度變化范圍從 1mm 到 2.5mm 時，通過 Size optimization 優(yōu)化找到最佳厚度為 1.73mm

16、，考慮到板材常用規(guī)格，建議采用 1.8mm厚度的板進行沖壓。- 9 -Altair 2009 HyperWorks 技術(shù)大會集6 結(jié)束語(1) HyperMesh 具有友好界面，具有較為強大的幾何處理功能，可以幫助快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格，我們通過 HyperMesh 建立了準(zhǔn)確的載荷區(qū)域，并對局部位置網(wǎng)格進行特殊處理， 并為方便載荷的施加建立了 Entity sets 集，大大提高了工作效率；( 2) Radioss 求解器求解時使用內(nèi)存相對較少，求解速度快，查看結(jié)果方便、快捷。運用 Radioss 求解器進行靜強度分析后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的幾個設(shè)計值均不是最優(yōu)解，但通過靜強度分析，我們找到了 Size optimization（好了基礎(chǔ)；優(yōu)化）的目標(biāo)參數(shù)及響應(yīng)參數(shù)，為下一步分析打(3) Size optimization（優(yōu)化）是將變量變化過程逐行進行計算，對變量的每個可能值都進行了計算，最終確定最優(yōu)解，本項目還可以采用離散值的，指定材料的常用規(guī)格，讓其在我們給定的幾個常用值中找到最優(yōu)解，由于該項目板材厚度變化不大，太影響計算速度，且板材的規(guī)格在這個范圍內(nèi)也很多，所以沒有給定離散值，直接通過 Sizeoptimizati