王川東，唐宇，殷貴剛，李安成，錢(qián)俊宏

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)懸臂梁的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王川東，唐宇，殷貴剛，李安成，錢(qián)俊宏

（成都凱迪精工科技有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

懸臂梁作為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)上最重要的承力構(gòu)件之一，除必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度之外，同時(shí)還要保證質(zhì)量較輕，最終才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)的正常使用和安全性。通過(guò)分析懸臂梁的工作原理，建立出零件的初步三維模型，通過(guò)設(shè)定邊界條件和添加載荷，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示強(qiáng)度滿(mǎn)足要求、但質(zhì)量過(guò)大，需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。利用Workbench環(huán)境中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊對(duì)零件進(jìn)行形狀和尺寸的優(yōu)化，最終得到了滿(mǎn)足強(qiáng)度條件下質(zhì)量更輕的懸臂梁。經(jīng)實(shí)物稱(chēng)量，該零件的實(shí)際質(zhì)量較設(shè)計(jì)之前減少了14.25 kg、減幅達(dá)51.59%，為今后該類(lèi)型零件的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

懸臂梁；靜力學(xué)；強(qiáng)度；優(yōu)化；ANSYS Workbench

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)是航空工業(yè)領(lǐng)域常用的地面輔助設(shè)備，具有多個(gè)方向的調(diào)節(jié)自由度，能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)的調(diào)試、裝配和維修過(guò)程中便捷地進(jìn)行拆裝。

懸臂梁作為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)上最重要的承力構(gòu)件之一，位于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)的最上層，呈對(duì)稱(chēng)分布，前端（圓柱軸段）與支撐臂連接，中間鉸接在支架上，后端與拉力傳感器連接在一起，與支撐柱共同分擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)的全部重量，如圖1所示。質(zhì)量大的懸臂梁構(gòu)件雖能滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求，但會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)的質(zhì)量增加，不僅增加了裝配人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、造成材料的極大浪費(fèi)，同時(shí)也使得發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)的移動(dòng)靈活性變差。因此，設(shè)計(jì)出既能滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求、同時(shí)質(zhì)量輕便的懸臂梁顯得極為重要[1]。本文利用ANSYS Workbench中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊[2-3]，對(duì)最初設(shè)計(jì)的懸臂梁進(jìn)行形狀優(yōu)化，根據(jù)形狀優(yōu)化的結(jié)果，建立全參數(shù)化的三維數(shù)模，再借助Workbench中的優(yōu)化模塊對(duì)各變量尺寸進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了滿(mǎn)足安全系數(shù)不小于3的強(qiáng)度條件下質(zhì)量更輕的懸臂梁。

1.支撐柱 2.懸臂梁 3.支撐臂 4.支架

1 靜力學(xué)分析

1.1 模型的建立

根據(jù)懸臂梁的工作原理，繪制出設(shè)計(jì)構(gòu)想簡(jiǎn)圖，同時(shí)結(jié)合該零件與其他構(gòu)件的配合連接關(guān)系，綜合人機(jī)工程學(xué)，借助三維設(shè)計(jì)軟件建立零件的初始三維示意模型，如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，懸臂梁采用30CrMnSiA加工制造，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]，得到該材料的屬性為：楊氏模量＝1.96e+11 N/m2、密度＝7.75e+03 kg/m3、泊松比＝0.2。在三維設(shè)計(jì)軟件中，給零件賦予材料密度后，測(cè)量零件的質(zhì)量約為27.62 kg。

圖2 懸臂梁初始模型

1.2 靜力學(xué)分析

將建立好的初始三維模型通過(guò)軟件接口導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行靜力學(xué)分析，保證了三維模型的一致性，讓模擬變得更加真實(shí)。

對(duì)零件分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)外形無(wú)凸臺(tái)和凹坑、面與面之間平滑過(guò)渡，因此網(wǎng)格劃分采用定義網(wǎng)格尺寸的方式進(jìn)行，綜合計(jì)算機(jī)的性能和網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為size＝2 mm，劃分網(wǎng)格后最終得到5356092個(gè)節(jié)點(diǎn)、3920443個(gè)網(wǎng)格單元。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)懸臂梁的受力大小，工作時(shí)前、后段構(gòu)成一對(duì)平衡力，和2個(gè)支撐柱一起分擔(dān)了發(fā)動(dòng)機(jī)的全部重量。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)闡述，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量約為1200 kg，因此每根懸臂梁前端所受力約4000 N，經(jīng)測(cè)量，前端受力中面（圓柱段軸向中面）到中間鉸接中心面距離為359 mm、后端連接孔中心面與到中間鉸接中心面距離為381 mm，由簡(jiǎn)單理論力學(xué)知識(shí)計(jì)算可知，懸臂梁后端受力約為3769.03 N。中間與支架鉸接處添加固定約束，給零件賦予30CrMnSiA的材料屬性后進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，得到懸臂梁的強(qiáng)度計(jì)算云圖，如圖3所示。

可知，初始模型的最大強(qiáng)度為1＝127.8 MPa，查文獻(xiàn)[2]得30CrMnSiA的屈服極限為σ＝885 MPa，計(jì)算可得安全系數(shù)[4]1為：

滿(mǎn)足安全系數(shù)不小于3的設(shè)計(jì)要求，但此狀態(tài)下質(zhì)量過(guò)大，需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

任何機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都包括結(jié)構(gòu)的總體布局、基本形狀和具體尺寸三個(gè)方面[5-6]，對(duì)應(yīng)優(yōu)化問(wèn)題分別為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化三個(gè)階段，而這三個(gè)優(yōu)化問(wèn)題分別反映在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段、基本設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段完成。

2.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化，又稱(chēng)幾何優(yōu)化，是在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)之上，對(duì)結(jié)構(gòu)的邊界形狀進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整邊界幾何曲線改變邊界形狀。

本文借助ANSYS Workbench中的Shape Optimization模塊對(duì)懸臂梁進(jìn)行形狀優(yōu)化[6]。材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分和載荷約束和靜力學(xué)分析過(guò)程保持一致，設(shè)置優(yōu)化比例為50%，求解運(yùn)算，得到懸臂梁的形狀優(yōu)化結(jié)果，如圖4所示，紅色區(qū)域?yàn)榻ㄗh刪除部分，即對(duì)懸臂梁的強(qiáng)度影響較小的區(qū)域，灰色部分為建議保留部分，即對(duì)懸臂梁的強(qiáng)度影響較大的區(qū)域[6-7]。

2.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)的拓?fù)洹⑿螤畲_定之后，針對(duì)結(jié)構(gòu)具體尺寸（如加強(qiáng)筋的厚度、寬度和慣性矩等物理量）進(jìn)行的詳細(xì)設(shè)計(jì)[7-8]。

根據(jù)懸臂梁的形狀優(yōu)化結(jié)果可知，強(qiáng)度影響較小的區(qū)域?yàn)閼冶哿鹤笥覂蓚?cè)面和圓柱段芯部，因此考慮在零件左右兩側(cè)面上對(duì)稱(chēng)挖凹槽并設(shè)置加強(qiáng)筋、同時(shí)在圓柱段芯部鉆減輕孔的方式來(lái)完成減重。其中零件壁厚、加強(qiáng)筋厚度和減輕孔尺寸的最優(yōu)數(shù)值確定，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的探究。

圖4 形狀優(yōu)化結(jié)果

利用三維建模軟件，并根據(jù)形狀優(yōu)化結(jié)果對(duì)模型重新進(jìn)行全參數(shù)化建模，并將加強(qiáng)筋的厚度參數(shù)變量設(shè)置為DS_JB，懸臂梁的中間壁厚參數(shù)變量設(shè)置為DS_BH（＝懸臂梁總厚度60 mm－凹槽的深度參數(shù)變量DS_S），側(cè)面上的減輕孔1的參數(shù)變量設(shè)置為DS_K1，圓柱軸段上的減輕孔2的參數(shù)變量設(shè)置為DS_K2。

將參數(shù)化建模完成后的三維模型通過(guò)無(wú)縫關(guān)聯(lián)接口導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[9-12]。

（1）設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)

將懸臂梁的質(zhì)量Mass和由Equivalent Stress探測(cè)得到的計(jì)算結(jié)果中最大的強(qiáng)度值Maximum設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)。

（2）試驗(yàn)設(shè)計(jì)及靈敏度分析

設(shè)定各參數(shù)變量的變化范圍，如表1所示。設(shè)定每個(gè)參數(shù)變量的采用數(shù)目為100，得到設(shè)計(jì)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的柱狀靈敏度圖，如圖5所示?？芍O(shè)計(jì)變量DS_JB和DS_S對(duì)質(zhì)量和強(qiáng)度這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的敏感性最大，DS_K1對(duì)兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的敏感性最差，DS_K2對(duì)兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的敏感性居于中間。

表1 各參數(shù)變量的范圍（單位：mm）

圖5 設(shè)計(jì)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度

（3）實(shí)施優(yōu)化并確定最優(yōu)設(shè)計(jì)

圖6 設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合本文研究的目的是在滿(mǎn)足強(qiáng)度條件下獲得最輕質(zhì)量的懸臂梁，易知Candidate A為最優(yōu)方案，此時(shí)各參數(shù)變量值滿(mǎn)足：DS_JB＝7.39 mm，DS_K1＝26.573 mm、DS_K2＝29.65 mm、DS_S＝25.85 mm，得到目標(biāo)函數(shù)最小質(zhì)量為＝13.489 kg，且此時(shí)的強(qiáng)度為2＝232.48 MPa，計(jì)算安全系數(shù)[4]2為：

強(qiáng)度仍然滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但此時(shí)零件的質(zhì)量較初始值大大減小。根據(jù)此優(yōu)化數(shù)據(jù)對(duì)三維數(shù)模進(jìn)行修改，得到零件最終的三維模型，如圖7所示。

3 實(shí)物驗(yàn)證

對(duì)最終優(yōu)化過(guò)后的零件進(jìn)行工藝分析，繪制出合理的工藝路線圖：備料→預(yù)備熱處理→銑工規(guī)方→超聲波探傷→數(shù)控粗加工→最終熱處理→修基準(zhǔn)→數(shù)控精加工→車(chē)工→數(shù)控去工藝頭→鉗工去毛刺、銳邊→磁粉探傷→表面處理→終檢→入庫(kù)。

根據(jù)上述工藝路線圖，編制出詳細(xì)的工藝加工文件后進(jìn)行機(jī)械加工，得到懸臂梁的實(shí)物，經(jīng)稱(chēng)量，該零件的實(shí)際質(zhì)量為13.37 kg，較優(yōu)化設(shè)計(jì)前減少了14.25 kg、減幅達(dá)51.59%。

將生產(chǎn)出的實(shí)物通過(guò)緊固件裝配成部裝，再裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)上，如圖8所示，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)試驗(yàn)測(cè)試，滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝車(chē)部裝實(shí)物圖

4 結(jié)論

（1）在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，根據(jù)懸臂梁的工作原理，結(jié)合結(jié)構(gòu)的總體布局，綜合人機(jī)工程學(xué)，建立出零件的初始三維模型。

（2）在初始三維模型基礎(chǔ)上，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)零件進(jìn)行形狀優(yōu)化，找到了對(duì)強(qiáng)度影響較小的區(qū)域?yàn)閼冶哿鹤笥覂蓚?cè)面和圓柱段芯部，即找到了形狀優(yōu)化的方向。

（3）根據(jù)形狀優(yōu)化的指導(dǎo)結(jié)果，在三維軟件中對(duì)懸臂梁進(jìn)行全參數(shù)化的建模，在ANSYS Workbench環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各變量參數(shù)尺寸的最優(yōu)，達(dá)到了在質(zhì)量最小的情況下保證零件的強(qiáng)度安全系數(shù)不小于3的設(shè)計(jì)要求。

（4）根據(jù)最終實(shí)物稱(chēng)量，較優(yōu)化設(shè)計(jì)前減少了14.25 kg、減幅達(dá)51.59%。

本文所述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為今后該類(lèi)型的零件設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

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Design and Optimization of Cantilever Beam for Engine Installation Car

WANG Chuandong，TANG Yu，YIN Guigang，LI Ancheng，QIAN Junhong

( Chengdu Kaidi Precision Technology Co., Ltd., Chengdu610041, China )

As one of the most important bearing members on the engine installation car, the cantilever beam must have sufficient strength and rigidity, at the same time, which ensure the light weight, so that which finally ensure the normal use and safety of the engine installation car. By analyzing the working principle of the cantilever beam, a preliminary 3D model of the part is established. By setting the boundary conditions and adding the load, the finite element numerical simulation technology is used for the analysis, The results show that the strength meets the requirements, but the quality is too large, and further optimization and improvement are needed. In this paper, the shape and size of the part are optimized by the topology optimization module in the workbench environment, Finally, the cantilever beam with lighter weight is obtained under the condition of strength. After weighing in real thing, the actual quality of the part is reduced by 14.25 kg compared with the design. The reduction rate is 51.59%, which provides a certain reference for the design of such parts in future.

cantilever beam；static structural；strength；optimization；ANSYS Workbench

TH16；TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.011

1006－0316 (2020) 02－0064－05

2019－07－15

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018GZ0476）

王川東（1989－），男，四川通江人，工學(xué)碩士，助理工程師、技術(shù)員，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法及制造技術(shù)。