SolidThinking Inspire挖掘机动臂连接器拓扑创新

摘 要：

建立某款挖掘机动臂连接器有限元分析模型，运用SolidThinking Inspire对其进行求解分析，获得应力云图并找出危险区域；对结构进行拓扑优化，达到减重目标,对产品设计具有重要指导意义。

关键词:  solidThinking  挖掘机  拓扑优化

1、概述

solidThinking是面向设计人员的优化仿真平台。其拓扑优化工具Inspire操作便捷，流程清晰，界面简洁，易学易用，能够帮助设计人员快速获得满足性能且轻量化的结构，非常适合产品概念设计阶段对产品进行优化提升。

某款小型挖掘机装配有动臂连接器。连接器是一种针对专门机型的工作需求而设计制造工程机械连接装置，一般采用铸造工艺制造。起到连接挖掘机动臂、车架，传递负载及自由度的作用。因此必须保证动臂连接器在严苛工况下刚度、强度等可靠性要求。

当前，拓扑优化技术大量应用到产品设计流程中，实现产品在设计阶段的强度及轻量化需求。本文以动臂连接器为分析对象，运用solidThinking Inspire工具，以Density密度法为理论依据进行拓扑优化^[1]，并对改进结构进行强度分析，结果表明优化结构较原结构应力水平一致且质量大幅减轻。

2、结构强度分析

2.1建立模型

加载模型

图示为连接器毛坯外形，优化前首先对结构进行强度分析，根据结果定义优化设计要素。

定义正载与偏载两个工况，提取各铰点位置载荷，模型加载如下表。

2.2分析结果

运行惯性释放分析，得到以下结果

位移云图

应力云图

由位移及应力云图可知，最大位移0.17mm，最大等效应力179MPa，最小安全系数1.9，满足强度要求。连接器重量115.6kg，在此基础上进行减重优化。

3、拓扑优化分析

3.1拓扑优化数学模型

采用变密度法进行拓扑优化分析。以结构变形能最小为目标，外支架设计空间内单元密度为设计变量，拓扑优化数学模型如下^[2]。

3.2设计空间

受装配空间限制，保留部分结构不做优化。使用Inspire工具快速分离销轴孔，设置其他区域为设计空间。约束及载荷与强度分析一致。

3.3形状控制

约束条件：设计空间质量上限40%

优化目标：连接器柔度最小

设置设计空间为左右对称形状控制。

3.4优化结果

选择目标为最大刚度，质量上限为40%。在Inspire中运行拓扑优化得到下图结果。适当增加材料，对结果进行曲面自适应操作，得到如下结构。

质量上限40%

3.4优化结果校核

在优化模块中直接对优化结果进行分析校核，最大位移0.2mm，最大等效应力235MPa，最小安全系数1.5，满足强度要求。该结构连接器质量为60.2kg，减重约52%。

位移云图                            

应力云图

对结果进行几何重构，得到如下结构。

4、结论

本文通过对动臂连接器进行强度分析，明确对了结构传力路径，确定了优化参数；运用solidThinking Inspire工具，以Density密度法为理论依据进行拓扑优化，获得了以减重为优化目标的优化结果，在保证结构刚度与强度的情况下，产品减重约50%。所有分析优化过程均在solidThinking Inspire中完成，体现了该软件强大的分析优化能力及良好的软件一致性。运用solidThinking，能够最大限度的提升设计效率，降低品开发成本，缩短研发周期，对产品设计工作有重要价值，必将获得更加广泛的应用。

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