基于hyperworks的某型叉车机罩静力学分析及尺寸优化

1、Altair 2009 HyperWorks 技术大会集基于HyperWorks的某型叉车机罩静力学分析及优化合力新技术研究所- 1 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集基于HyperWorks的某型叉车机罩静力学分析及优化Application of HyperWorks in Tatic Strength Analysis and Size Optimization of Forklift(合力新技术研究所)摘析要：本文以某型叉车机罩在设计阶段的静强度分析及优化为例，来阐述有限元分HyperWorks在叉车设计中的应用，着重了应用 HyperWorks 在叉车设计中的

2、分析流程与几点注意问题。: 机罩，有限元分析，叉车，OptiStruct，静强度，优化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 引言技术的飞速发展，为在产前进行风险技术性评估，保证设计质量、提高设计水平提供了广阔的舞台。而有限元分析已经成为机械类分析的关键。通过应用有限元分析，在生产前的设计阶段，运用现代技术充分反映设计结构特点，利用计算机通过工程分析行结构优化。快速有效地模拟、揭示在各种工况下的状态，可以使

4、设计者及时进本文就以某型叉车机罩在设计阶段的静强度分析及优化为例，应用 SolidWorks 三维建模建立其几何模型，利用 HyperMesh创建机罩的有限元模型并采用其OptiStruct 求解器分析叉车设计标准中所规定的载荷工况下的强度，并为结构优化提供了理论依据。- 2 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集图 1 机罩的三维模型图2 机罩结构与参数机罩是整体冲压成型的薄板件，为 1190mmx890mm，材料名称：08AL，杨氏模量：2.1E5MPa，泊松比：0.3，屈服强度：230MPa，考虑到现有机的工作能力，压机压边力通过 DanaForm分析出来厚度要求低于

5、 2.5mm，为了进一步确定设计参数，决定采用HyperWorks进行静强度及优化分析。三维实体模型：3 有限元模型的建立3.1 建立实体模型采用 SolidWorks2007 对机罩进行实体建模并分割出受力及约束边界区域，特别需要注意的是区域需建立在模型的同一侧，这样抽完中面不至于丢失，如图 2 所示：图 2 机罩割出受力及约束边界后的三维模型图3.2 实体模型的导入HyperWorks 是Altair 公司推出的通用有限元分析与优化，它集成了设计与分析所需的工具，具有良开放性、灵活性和友用户界面，能够完成线性静态、模态、屈曲、疲劳等有限元分析，特别是优化模块，该模块可以执行不同的优化类型，

6、有拓扑优化，形貌优化，形状优化，优化等，用户可以根据优化目标值的特点灵活的选择。本文所用- 3 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集的机罩是采用 SolidWorks2007 进行实体建模,转换成 step 文件后将模型导入 HyperWorks中，确保了模型的准确性。3.3 网格划分考虑到机罩属于薄板冲压件，又因为要计算不同厚度的该零件的静强度，采用壳单元来分析比较方便，先将导入的模型进行几何，然后抽取中面，另格划分的好坏决定了有限元的计算的精度和准确性, 所以应该尽可能的使网格划分得规则些。四边形单元具有较规则性, 故本文绝大多数采用 10mm 四边形单元进行网格划分

7、( 如图 3 所示)。图 3 机罩有限元图初始图3.3.1 边界载荷及约束区域网格的划分及处理边界载荷及约束区域，采取先局部划分，然后整合的进行，确保这些区域的完整性与相对性。3.3.2 整体网格划分划分好各小区域网格后，再进行整体网格划分，通过网格质量检查（Quality index）发现在机罩起筋处出现了一些列压扁的小网格，分析是圆弧过渡导致中间连接平面很窄，网格为 10mm 四边形单元时便会造成部分单元长宽比例失调，于是在此处进行了网格修补。调整后再进行质量检查，完全符合质量要求，如图 4 所示：- 4 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集图 4 机罩有限元最终图3

8、.4 施加边界条件3.4.1 Entity sets 的建立由于约束及载荷都是施加在默写区域，为了方便修改调整边界条件，在这些区域建立了Entity sets，将这些 nodes 建立成集合，然后建立约束及载荷时直接选取设置大提高了效率，共建立约束与载荷两个 sets 集，如图 5、图 6 所示。sets，大图 5 机罩有限元 set 图a图 6 机罩有限元 set 图 b3.4.2 施加边界条件约束条件为，固定前后三个区域，约束区域模拟的是前后固定板位置，如图 7、图 8。载荷分两种工况，分别为 120kg 和 150kg，载荷区域模拟的是座椅安装位置。并建立相关材料及属性卡片，并加载 lo

9、adstep，为静强度分析做好准备。图 7 机罩加载后有限元图 a图 8 机罩加载后有限元图 b4 机罩的静强度分析4.1 厚度为 2mm 的机罩静强度计算结果- 5 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集采用 Radioss 求解器求解，将材料属性卡片厚度附为 2mm，进行计算。4.1.12mm 厚度加载 150kg 应变及应力结果：最大变形量：1.79mm，等效应力最大值：153.5MPa，如图 9、图 10 所示。图 9 机罩应力云图 a图 10 机罩应力云图 b4.1.22mm 厚度加载 120kg 应变及应力结果：最大变形量：1.43mm，等效应力最大值：122.

10、8MPa，如图 11、图 12 所示：图 11 机罩应力云图 c图 12 机罩应力云图 d4.2 通过改变 propty 属性求的 1.5mm 及 2.5mm 厚度的静强度计算结果采用 Radioss 求解器求解，将材料属性卡片厚度附为 1.5mm，进行计算。4.2.11.5mm 厚度加载 150kg 应变及应力结果：最大变形量：3.61mm，等效应力最大值：288MPa，如图 13、图 14 所示：- 6 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集图 13 机罩应力云图 e图 14 机罩应力云图 f4.2.21.5mm 厚度加载 120kg 应变及应力结果：最大变形量：2.8

11、9mm，等效应力最大值：230.4MPa，如图 15、图 16 所示。图 15 机罩应力云图 g图 16 机罩应力云图 h采用 Radioss 求解器求解，将材料属性卡片厚度附为 2.5mm，进行计算。4.2.32.5mm 厚度加载 150kg 应变及应力结果：最大变形量：1.08mm，等效应力最大值：96.9MPa，如图 17、图 18 所示：图 17 机罩应力云图 h图 18 机罩应力云图 i4.2.42.5mm 厚度加载 120kg 应变及应力结果：最大变形量：0.86mm，等效应力最大值：- 7 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集77.5MPa，如图 19、图

12、20 所示：图 19 机罩应力云图 j图 20 机罩应力云图 k4.3 结果评价4.3.1 变形量的评价根据支撑点的位置折算理论的变形量，参照材料力学公式范围为大于774/750=1.032mm 小于 774/500=1.548mm。2mm 厚度的加载 120kg 变形量在其范围，且有余量。加载 150kg 变形量超标。由于参照的材料力学公式是梁结构，这里只能参考，并不是很准确，所以采用应力作为分析对标参数。应力大小的评价关于疲劳根据材料疲劳破环前所经历的循环次数（即）的不同，可以分为劳。疲劳材料所受的交变应力低于材料的屈服极限断裂前的循环次数 Nf 大于 11051107 次通常用 S-N

13、曲线来描述该材料的疲劳特性。低周疲劳材料所受的交变应力较高，接近或超过屈服极限断裂前的循环次数 Nf 少于 11041105 次通常用-N 曲线来描述该材料的疲劳特性。疲劳和低周疲由已知材料特性可知，材料的屈服强度为 230MPa，考虑到机罩疲劳应属于低周疲劳，极限应力可以折富余。230/1.33170MPa，此时 2mm 厚度机罩应力均满足要求，且略有通过结果分析获知选取的三种厚度均不是最佳结果，决定采用 HyperWorks OptiStruct模块中的 size 优化，期望求得最终的最优结果。- 8 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集优化-Size optimiz

14、ation5 机罩的优化是 OptiStruct 中提供的另一种优化，是设计对模型形状有了一定的形状设计思路后所进行的一种细节设计，它是通过改变结构单元的属性，如壳单元的厚度、梁单元的截面属性、弹簧单元的刚度及质量单元的质量等，以达到一定的设计目标，如应力、质量、 位移等要求在目标范围内。本项目将机罩厚度作为设计变量，变化范围为 1mm 到2.5mm，采用体积最小（密度一定，即质量最小）为响应，节点号为 22377（可以查看第三部分静强度分析结果获知）的节点应力极限值为 170MPa 作为约束，以此来求出机罩最佳厚度。5.1 第一种工况（即加载 150kg）优化结果进入Size optimiz

15、ation 面板，设置好变量、响应等参数后提交 OptiStruct 求解器进行计算。同时也可以设置屏幕 out 文件跟踪卡片，实时求解过程相关。当求解结束后，查看 out 文件可以看到，厚度变化范围从 1mm 到 2.5mm 时，通过 Size optimization 优化找到最佳厚度为 1.91mm，考虑到板材厚度常用规格，建议采用 1.9mm 或者 2mm 厚度的板进行冲压。5.2 第二种工况（即加载 120kg）优化结果同上，当求解结束后，查看 out 文件可以看到，厚度变化范围从 1mm 到 2.5mm 时，通过 Size optimization 优化找到最佳厚度为 1.73mm

16、，考虑到板材常用规格，建议采用 1.8mm厚度的板进行冲压。- 9 -Altair 2009 HyperWorks 技术大会集6 结束语(1) HyperMesh 具有友好界面，具有较为强大的几何处理功能，可以帮助快速生成高质量网格，我们通过 HyperMesh 建立了准确的载荷区域，并对局部位置网格进行特殊处理， 并为方便载荷的施加建立了 Entity sets 集，大大提高了工作效率；( 2) Radioss 求解器求解时使用内存相对较少，求解速度快，查看结果方便、快捷。运用 Radioss 求解器进行静强度分析后发现现有的几个设计值均不是最优解，但通过静强度分析，我们找到了 Size optimization（好了基础；优化）的目标参数及响应参数，为下一步分析打(3) Size optimization（优化）是将变量变化过程逐行进行计算，对变量的每个可能值都进行了计算，最终确定最优解，本项目还可以采用离散值的，指定材料的常用规格，让其在我们给定的几个常用值中找到最优解，由于该项目板材厚度变化不大，太影响计算速度，且板材的规格在这个范围内也很多，所以没有给定离散值，直接通过 Sizeoptimizati