四立柱液压机下横梁结构的拓扑优化设计

秦东晨，王然然，赵鹤鸣

（郑州大学机械工程学院，河南郑州450001）

来稿日期：2017-12-08

基金项目：2015年度国家科技支撑计划项目（2015BAF06B06）

作者简介：秦东晨，（1965-），男，河南温县人，博士研究生，研究生导师，教授，主要研究方向：机械强度及结构优化设计、虚拟样机1 引言

锻压设备在国防和民用工业中占有重要地位。某型四立柱

液压机结构布局，如图1所示。其通过传统设计方法设计的下横

梁箱体结构比较笨重[1]，过大的安全系数使结构消耗更多材料，材

料布置的合理性需要进一步证明，而拓扑优化设计方法可以在结

构设计初期就显现出力的传递路径，根据传递路径设计的结构使

材料的利用率达到最高，同时使结构的某种性能指标达到最优，

因此开展结构拓扑优化技术的研究在结构的概念设计阶段具有

很重要的指导性意义。文献[2]采用进化结构法对某型液压机下横

梁进行优化设计得到了新的下横梁结构，对比传统设计方法降低

了制造成本和重量，提高了材料的利用率。文献[3]采用变密度法对

门式起重机箱型主梁结构进行拓扑优化，获得了具有可加工性的最终优化结果。A A A-A 上横梁下横梁活动横梁

图1液压机结构布局Fig.1Distribution of the Hydraulic Machine Structure 摘要：四立柱液压机下横梁为箱型结构，通常采用经验和类比进行设计，结构合理性有待验证，而使用拓扑优化方法可以在结构初期设计阶段就找到材料的最优分布。使用变密度法拓扑优化理论，基于SIMP 密度材料插值模型建立柔顺度最小体积约束数学模型，通过灵敏度过滤来抑制数值不稳定现象，使用OC 准则迭代求解下横梁优化结果，确定最优传力路径，最后通过模型重建设计出全新四立柱液压机下横梁概念模型，并在有限元软件中验证该结构的可行性。此研究对四立柱液压机下横梁设计具有一定的指导意义。

关键词：液压机；下横梁；SIMP 变密度法；拓扑优化；过滤函数；概念模型

中图分类号：TH16；TH122文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2018）05增-0055-04

The Topology Optimization of the Lower Beam in the Four Column Hydraulic Press

QIN Dong-chen ，WANG Ran-ran ，ZHAO He-ming

（School of Mechanical Engineering Zhengzhou University ，He ’nan Zhengzhou 450001，China ）

Ａｂstract ：The lower crossbeam of four column hydraulic press is a box type structure ，usually adopting the design under the method of experience and analogy ，and the rationality of the structure needs to be verified.The method of topology optimization can be used to find the optimal distribution for materials in the initial design stage.In this paper ，the variable density method for topology optimization theory is used to establish the mathematical model with the constraint of volume and the objective of the minimum compliance based on SIMP ，and to suppress the numerical instability phenomenon through gray scale filter.The optimal force transmission path is determined according to the crossbeam optimal result under the iterative solutions for the OC algorithm.Finally the new conceptual model on lower crossbeam of four column hydraulic press is designed through the model reconstruction ，and the feasibility of the structure shall be verified in the finite element software.This research has certain directive significance to the design of the beam of the four column hydraulic press.

Key Words ：Hydraulic Press ；Lower Crossｂeam ；SIMP Variaｂle Density Method ；Topology Optimization ；Filter Fun-ction ；Conceptual Mode Machinery Design ＆Manufacture 机械设计与制造增刊

2018年5月55

万方数据