技术干货丨基于OptiStrcut结构尺寸优化的起重机车架轻量化

原创于 2025-12-05 11:12:10 发布 · 971 阅读

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#人工智能 #仿真 #CAE #汽车 #重工机械 #AI #HyperWorks

*本文投稿自工程机械制造行业用户张俊

车架是起重机三大结构件之一，其刚度、强度性能对起重机的吊载性能、可靠性、安全性有着至关重要的作用。大量研究表面，汽车燃油消耗的50%是由整车重量引起的，整车重量每降低10%，燃油经济性可提高3.8%。轻量化设计是指在保证其基本性能的情况下，尽可能提高材料利用率，将重量做到最低，这是降低成本节约能耗的重要手段之一。

本文通过 HyperMesh 有限元软件的 OptiStrcut 优化模块，对某汽车起重机车架进行截面尺寸、板厚优化，最终重量降低了253Kg，预计单台节约成本1200元。

1、车架轻量化设计理论

优化理论

轻量化设计通常包含新型材料的开发和自身结构的优化这两种路径，本文则是通过第二种路径来实现车架的轻量化设计。本文的结构优化设计指的是:基于 OptiStruct 内置的可行方向法（MFD），对主体焊接总成的厚度、尺寸进行最佳组合设计的理论与方法。这种设计思想的具体实现方式是:基于一定的程序算法，在设计可行域内，逼近能够满足预期设计目标的、最符合设计要求的状态。由于此内置算法基于的是梯度优化算法，采用这种方案通常不一定能在全局找到最优的一个解，但是能得到一个比之前更优的设计，在工程上具有很重要的实际意义。此优化算法具有以下特征：

自动调整设计变量逐渐趋于最优区域，避免了设计人员以经验注意为驱动来进行设计的思路；
基于梯度运算的优化算法，大大提高了计算效率；
可根据实际情况，设置多个合理的初值点，使得优化结果逐渐趋于全局最优解；
可通过设置各个工况“权重”的方式实现多目标的优化设计。

操作步骤

优化过程包含3个关键要素，即设计变量、约束条件、目标函数。设计变量指的是一些影响结构性能的参数如厚度、尺寸、位置、角度等，约束条件指的是对设计变量及结构某些性能的实际限制，目标函数指的是某些性能的最优设计。设计变量在满足约束条件的设计空间内（如尺寸、变形），目标函数在这个设计域内得到最优结果，比如质量最小，其数学表达式模型如下：

设计变量： (i=1,2,3,…,n)
不等式约束： i=1,2,3, …,p
等式约束：j=1,2,3, …,q
目标函数：min(或max)

2、有限元模型

模型说明

车架截面尺寸650×1100mm，支腿截面尺寸380×250mm;约定车架中回中心为坐标原点，正后方为+X,正右方为+Y，正上方为+Z。车架主体采用薄板件焊接而成，因此采用壳单元来模拟，焊缝连接为将壳单元作延申相交处理，中回座圈采用六面体模拟，支腿搭接处采用MPC滑移面进行模拟，有限元模型见图1：

图1 车架有限元模型

材料

材料许用应力包含拉伸、压缩、弯曲的许用应力，具体参考GB3811-2008以下两种情况进行计算：

（1）对于屈强比σs/σb<0.7，许用应力为钢材屈服点σs除以强度安全系数，具体见下表：

表1 材料许用应力

2) 对于σs/σb≥0.7，基本许用应力为（0.35*σb+0.5*σs）/n，式中：

σb钢材抗拉强度；
σs/钢材屈服强度；
n与载荷类别相应的载荷系数。

车架支腿主体采用HG785钢，其屈强比σs/σb≥0.7，因此按照第二种方式计算其许用应力，其相关参数如下表所示：

表2 材料参数

约束条件

左前支腿底部约束XZ自由度，右前支腿底部约束XYZ自由度，左后支腿底部约束Z自由度，右后支腿底部约束YZ自由度。

工况

取对车架结构影响最恶劣工况——1.25倍最大起重力矩吊载，分别在前、后、左、右、左前、右前、左后、右后8个方位进行加载，将上车重量（转台、大臂、吊重）、下车重量（车桥、轮胎、驾驶室、车架等）转换到中回中心的垂直力及力矩，具体如下表所示：

表3 等效载荷

3、优化过程

整体思路

车架结构轻量化的基本路线为：使用 HyperMesh 的 Optimization 模块，采用可行方向算法（MFD），在某成熟车型基础上，在保证整体刚度与之前相当的前提下，以主体结构板厚、车架长宽尺寸为设计变量进行优化设计，具体如下：

设计变量：车架支腿主体板厚(±30%)、车架宽度(±25mm)、车架高度(±25mm)
约束条件：支腿平均变形不低于原车、车架中心点变形不低于原车、车架扭转角不低于原车；
目标函数：质量最小。

车架界面尺寸参数创建

使用 Hypermorph 对车架分别进行高度方向和宽度方向拉伸25mm，然后创建形状尺寸设计变量，如图2所示：

图2 形状尺寸变量

主体结构板厚参数创建

考虑板厚取整数，要先创建离散的变量值，然后创建主要结构件的板厚尺寸设计变量，如图3和图4所示：

图3 离散尺寸

图4 板厚尺寸变量

响应创建

分别创建整体质量响应及相关节点位移响应，如图5和图6所示：

图5 质量响应

图6 位移响应

约束及目标创建

创建位移约束（对应满足扭转角要求），创建目标函数为整体质量最小，如图7和图8所示：

图7 约束（位移）

图8 目标函数（质量最小）

仿真结果展示

优化后，主要结构变化示意图如图9所示：

图9 优化后结构变化

部分板厚优化结果如下表所示：

表4 优化结果

优化前后侧向吊载刚度对比如下表所示：

表5 优化前后侧向吊载刚度比较

优化后应力满足设计要求，如图10所示：

图10 应力云图（侧方吊载）

4、试验验证

吊载应力验证

在1.25倍最大起重力矩工况下，测出相应危险点应力，测试点见图11：

图11 应力测试点

仿真值与测试值对比见表6：

应力均未超过材料许用应力460MPa,仿真值与实测值基本相差不大。

可靠性验证

在疲劳台架试验机上，固定车架中回位置，模拟各个工况下，吊起重物旋转一圈为一个循环，在四个支腿处施加相应支反力，20000次内不出现开裂可判断合格，具体加载工况如下表所示：

表7 耐久性试验工况

(a)追加7200次最大起重力矩，总计22200次

(b)追加7800次最大起重力矩，总计22800次

(c)追加9700次最大起重力矩，总计24700次

图12 可靠性试验

如图12所示为20000次可靠性试验后分别追加7200、7800、9700次最大起重力矩工况的母材开裂情况。共计完成疲劳加载24700次，可靠性试验在试验大纲评审合格判定次数20000次循环范围内未出现关键焊缝开裂，车架试验合格。

5、结论

本文应用 HyperWorks 中的 OptiStruct 对起重机车架进行了轻量化设计，调整车架截面尺寸和部分板件的厚度。经过优化，车架主焊接结构减重253KG(5%)，刚度性能比优化前略有提升，应力满足要求，吊载应力测试试验及可靠性试验均满足要求。

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