有限元法在液压翻板平台结构强分析中的应用

报告内容

1课题来源

2研究内容

3研究进展

4存在问题

5论文发表情况

6后期工作安排第1页/共27页第一页，共28页。一、课题来源

本课题来源于“郑州市技术研究与开发经费支持项目”（项目编号：10XDWL200）。项目名称：散粮汽车卸车技术研究与开发，项目类别：重大科技攻关项目。第2页/共27页第二页，共28页。

本课题研究的目的是利用有限元方法对液压翻板装置进行优化设计，以减轻平台重量，提高平台工作性能。研究内容如下：（1）建立液压翻板装置的三维立体模型；（2）把平台的三维模型导入有限元分析软件，分析出平台在不同工况下的应力和应变大小；（3）根据不同工况下、平台不同位置的应变大小对平台结构进行优化；（4）对优化后的结果进行试验验证，并得出最优设计方案。

二、研究内容第3页/共27页第三页，共28页。三、研究进展

1建立液压翻板装置的三维模型，如图所示：图1液压翻板装置的三维模型图第4页/共27页第四页，共28页。

2把平台的三维模型导入有限元分析软件

由于该液压翻板平台的结构比较复杂，建模工作量大，所以在建立有限元模型时，根据平台结构和载荷的对称性,只取模型的二分之一进行分析。

2.1模型的处理对于有些细节部分对计算结果影响很小，但却极大地影响计算速度。所以在建模时，适当的对实体模型做了简化：①忽略非承载件的影响；②去除平台用于导向的部件；③把平台结构的焊接视为理想焊接。有限元模型如下图所示：第5页/共27页第五页，共28页。图2液压翻板平台的有限元模型图（a）翻板平台（b）平台支架第6页/共27页第六页，共28页。

进行有限元计算时，对于约束和载荷的施加方式做了如下规定：（1）约束的对象本文研究翻板平台在举升过程中散粮汽车和举升装置对平台结构产生的影响。翻板平台的尾部与固定在地面的转动轴连接，并绕其做旋转运动，故可以简化为固定铰支座，对平台尾部X,Y,Z三个位移方向施加完全约束，以及对平台1/2对称面施加对称约束。第7页/共27页第七页，共28页。（2）载荷的施加载荷主要来自于散粮汽车（六轴半挂汽车）对平台的压力，本文把汽车与散粮的总重量转化到汽车的各个车轮对平台和挡块的压力，取轮子与平台和挡块接触的小块面积作为载荷对象，施加均布压力。其中每个轮子载荷的大小随工况改变而变化，本文取平台倾角为0°、10°、20°、30°、45°时车轮对平台所产生的压力。力学模型如图所示：第8页/共27页第八页，共28页。图3车轮施加到平台的力学模型图其中，Gx=G×sinθ

Gy=G×cosθ第9页/共27页第九页，共28页。3根据不同工况下平台的应变大小对平台结构进行优化

优化设计是寻找求确定一种最优设计方案的技术，这种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量、面积、体积、应力、费用等）最小。3.1优化方法的选择（1）形貌优化形貌优化是一种形状最佳化的方法，即在板形结构中寻找最优的加强筋分布的概念设计方法，用于设计薄壁结构的强化压痕，在减轻结构重量的同时能够满足强度、频率的要求。

第10页/共27页第十页，共28页。（2）尺寸优化尺寸优化是一种细节优化设计方法，是设计人员在概念设计的基础上所进行的设计。它是通过改变结构单元的属性——例如壳单元厚度、梁单元横截面属性、弹簧单元的刚度和质量单元的质量等以达到一定的设计要求（如应力、质量、位移等）。（3）形状优化形状优化是另一种细节设计的方法。目的是通过改变某些形状参数（几何特征的形状）改变模型的力学性能以满足某些具体要求（如应力、位移等）。

第11页/共27页第十一页，共28页。

（4）拓扑优化拓扑优化是指以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间。结合本课题实际情况，选择合适的优化方法。对翻板平台进行形状尺寸优化，对平台支架进行形貌优化。

3.2基于有限元分析的优化设计流程图第12页/共27页第十二页，共28页。提取状态变量值和目标函数相关值利用参数化技术建立有限元分析模型在模型上施加载荷和边界条件，并求解有限元模型的建立优化分析过程由日志文件生成分析文件指定分析文件，定义设计变量和状态变量存储优化数据，建立优化控制文件，定义目标函数选择优化方法，运行优化程序，显示优化结果图4基于有限元分析的优化设计流程图第13页/共27页第十三页，共28页。图5工况一（θ=0°）3.3部分工况下平台的应力和应变云图（b）应变云图（a）应力云图第14页/共27页第十四页，共28页。图6工况三（θ=20°）（a）应力云图（b）应变云图第15页/共27页第十五页，共28页。图7工况五（θ=45°）（b）应变云图（a）应力云图第16页/共27页第十六页，共28页。

通过后处理的计算结果，各工况下应力、应变数据如表1所示。工况(θ)工况一(θ=0°)工况二(θ=10°)工况三(θ=20°)工况四(θ=30°)工况五(θ=45°)最大应变值/mm0.08733.2955.0496.964.475最大应力值/Mpa3.7329.180.6118168表15种工况下的计算结果

由表1可知，除工况五外，平台所受到的应力、应变随着平台角度增大而增大；由应变云图可知，除工况一外，第17页/共27页第十七页，共28页。

最大应变位置均发生挡块上边缘，而工况一应变最大处出现在平台前端，是由于翻板平台前端为自由端，变形较大，而尾端由转轴支座支撑，这与实际情况是相符的。工况五应变减小的原因是，粮食已经卸完总重量减轻。由各应力云图可知，除工况一外，应力最大处均在挡块的拐角处形成应力集中，虽然此处仍在材料安全范围内，但对平台整体来说属于危险部位，应该采取一定措施避免应力集中过大而对平台安全性能造成的影响。结论：由应力、应变云图可知，平台的主纵梁、副纵梁、横梁以及平台的平板应力都小于100Mpa。由此可知，平台整体材料的力学性能没有完全发挥，应对结构进行一定优化。第18页/共27页第十八页，共28页。4对优化后的结果进行试验验证，并找出最优设计方案4.1翻板平台的优化优化前平台各纵梁、横梁的材料属性，如表2所示。表2优化前纵梁、横梁属性表名称主纵梁副纵梁宽横梁窄横梁型号HN700x300HN200x100HN500x200HN396x199材料Q345Q345Q345Q345尺寸（长/mm）165001650026672667个数25215重量（Kg）610515264782265第19页/共27页第十九页，共28页。名称主纵梁副纵梁宽横梁窄横梁型号HN600x200HN175x90HN500x200HN350x175材料Q345Q345Q345Q345尺寸（长/mm）165001650026672667个数25215重量（Kg）610515014781672表3优化后纵梁、横梁属性表

由表3可知，优化后平台重量减轻618kg，与优化前相比总重量降低了约3%，取得了一定的经济价值。第20页/共27页第二十页，共28页。4.2平台支架的优化图8平台支架优化前后应力对比（a）优化前应力云图（b）优化后应力云图第21页/共27页第二十一页，共28页。

对平台支架进行了形貌优化，改变了加强筋的位置，使支架在加工工艺上更优。除此之外，使支架单边的加强筋个数由原来的10个减少为5个，降低了加工困难。由图8中平台支架优化前后应力大小及位置可知，优化前应力最大值为17.9Mpa，优化后最大值为20Mpa，这个结果在安全范围内。优化后应力的最大位置也发生在液压缸与支架相连接的支座处。因此可以得出，优化结果是可取的。第22页/共27页第二十二页，共28页。四、存在问题

1平台挡块拐角处仍存在应力集中问题，需要寻找更好的优化方案解决应力集中问题。2有限元网格的细化程度与计算机运行时内存占有量成反比，需权衡计算结果的精确程度与计算机运行能力之间的关系。第23页/共27页第二十三页，共28页。五、论文发表情况[1]曹宪周,秦锋,张子强等.国内外农产品加工业现状及发展趋势,国际农业工程大会论文集［C］.2010,518-523.[2]张子强，唐学军，阮竞兰.有限元法在液压翻板平台结构强度分析中的应用

[J].粮食流通技术，2011,（5）:8-11.第24页/共27页第二十四页，共28页。六、后续工作安排

1继续寻找翻板平台结构优化的最佳方案和有限元网格密度的最佳值，并结合仿真分析软件对优化结果进行验证。（2011年11月——2012年2月）2撰写硕士学位论文（2012年2月——2012年4月）第25页/共27页第二十五页，共28页。敬请各位老师和同学给予指正！谢谢！第26页/共27页第二十六页，共28页。谢谢您的观看！第27页/共27页