[发明专利]一种混凝土泵车臂架结构的拓扑优化设计方法

说明书

本发明公开了一种混凝土泵车臂架结构的拓扑优化设计方法，包括以下步骤：由于臂架在工作中主要承受竖直面的弯矩作用，为了保证臂架的刚度和强度要求，选择具有矩形截面的箱型结构为臂架的初始结构，其上下盖板材料均匀分布，设定为非设计区域；两侧腹板设定为优化的设计区域；泵车的臂架系统由若干节臂架组成，每节臂架之间通过销轴连接，单节臂架的边界载荷就是销轴所受反力，该反力随着臂架姿态及外部载荷的变化而改变，基于子结构法得到单节臂架的边界载荷；以单节臂架为对象，基于变密度法，对臂架进行拓扑优化设计；根据拓扑优化设计结果，得到轻量化的臂架新结构。本发明保证臂架在多姿态工况下的力学性能，并实现臂架结构的轻量化。

技术领域

本发明涉及一种混凝土泵车臂架结构的拓扑优化设计方法，特别涉及一种结构拓扑优化技术。

背景技术

随着高速铁路、高速公路、桥梁、机场、港口等基础设施的建设，工程机械在建设过程中发挥着主力军的作用，泵车作为其中的一员，在基础建设中扮演着重要角色。随着浇筑作业现场多样化的地形对泵车的需求，长臂架成为泵车产品发展的趋势。由于臂架加长势必造成其质量的提升，不仅增加倾覆风险，而且增加能耗，对臂架结构开展轻量化设计对提升泵车产品竞争力非常重要。

对泵车臂架进行轻量化设计的方法由两种，即采用结构优化设计和轻质材料。目前高强钢、碳纤维等轻质新型材料在工程机械产品中的应用为结构轻量化提供了多种选择，但新材料的应用也带来了与之相关新型材料的设计、模具、生产、试验等成本的大幅提高。从目前情况来看，采用结构优化设计技术实现泵车臂架轻量化是一个较好的选择。

传统的泵车臂架结构以箱体结构为主，也有部分桁架结构，箱体结构臂架的质量较大，桁架结构臂架的稳定性较差。因此，如何实现臂架的优化设计，使其刚度、强度和稳定性均符合安全的情况下，尽量降低自身的质量，满足使用要求，同时实现节能减排，这成为泵车臂架结构设计的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混凝土泵车臂架结构的拓扑优化设计方法。根据臂架结构的受力特点，选择具有矩形截面的箱型结构为初始结构，确定合理的设计区域；基于参数化驱动程序，实现臂架不同工况下的工作姿态，并采用子结构法确定单节臂架的载荷边界条件；以结构多姿态工况的加权应变能最小为优化目标，以体积分数为约束，基于变密度法，对臂架结构进行拓扑优化，根据优化结果的拓扑形态，考虑制造的可行性，得到轻量化的臂架结构。

本发明采用的技术方案是：

一种混凝土泵车臂架结构的拓扑优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：由于臂架在工作中主要承受竖直面的弯矩作用，为了保证臂架的刚度和强度要求，选择具有矩形截面的箱型结构为臂架的初始结构，其上下盖板材料均匀分布，设定为非设计区域；两侧腹板设定为优化的设计区域；

步骤2：泵车的臂架系统由若干节臂架组成，每节臂架之间通过销轴连接，单节臂架的边界载荷就是销轴所受反力，该反力随着臂架姿态及外部载荷的变化而改变；

2.1 建立整个臂架结构的有限元模型；

2.2 使用Python语言编写全参数化驱动程序，基于连杆位置驱动臂架结构实现多姿态；

2.3 根据泵车的实际情况加载，并采用子结构方法确定单节臂架在多姿态工况下的载荷边界条件；

步骤3：以单节臂架为对象，施加步骤2得到的臂架多姿态载荷边界条件，基于变密度法，以多姿态工况下结构加权应变能最小为优化目标，以体积分数为约束，对臂架进行拓扑优化设计；数学模型为：

其中，r为单元伪密度，U为多姿态工况下的结构的加权应变能，V为结构体积，V₀为原结构体积，m为体积分数；