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摘要：前梁是挤压机设备中重要的承力构件，在挤压过程中，挤压设备的挤压力及挤压筒锁紧力将通过模具传导至前梁中心环面上前梁经常承受高负载作用力，其结构应有足够的强度和刚度，以保证挤压设备整机使用的可靠性。本文以挤压机前梁作为研究对象，构建前梁实心结构的三维模型，利用有限元数值模拟分析的方法对结构模型进行拓扑优化，获得前梁结构的拓扑形式，并以此作为设计依据，进行前梁内部腹板结构布局，最终获得前梁的轻量化空心腹板结构。通过有限元数值分析三维模型并与原结构进行对比，重构优化后结构合理。
关键词：前梁；拓扑优化；轻量化
随着我国机械行业的迅速发展，工业与民用结构中大量采用钢材结构，使得建筑用钢材逐年增加。尤其是近几年，国家大力发展航空航天领域、船舶工业领域、动车组、通用机械和机床等领域，可见工业用钢已成为材料中钢材用量的重大领域。因而如何合理利用和节约工业与民用钢材引起了越来越广泛的关注，进行结构优化设计就是其中的一条有效途径。车身轻量化是提高汽车燃油经济性、减少尾气排放、节约材耗的有效手段。采用轻量化材料是汽车车身轻量化的重要途径。相对于单一材料车身而言，多材料车身可以充分发挥不同材料的性能、成本优势，为车身各个零部件选择合适的制造材料，从而在性能和成本约束下，实现较好的轻量化效果。
一、前梁结构有限元分
前、后梁是挤压机最重要的承压构件之一。后梁的结构决定着制造工艺，又决定了挤压机的用途和挤压力的大小。在较小型的挤压机上，一般主缸与后梁铸造成一个整体，在大型挤压机上，主缸为单体结构，放在后梁镗孔中。
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如图 所示，前梁多采用空心铸钢腹板结构，但具体结构与挤压制品、压余分离方式和模座的形式有关，采用有压型嘴式模座的挤压机前梁，近年来生产的一些挤压机为了缩短挤压过程的辅助时间，在前梁上设有模具的快速更换装置，也就是模座。模座是承受和传递挤压力的作用，基本上分为移动模座和回转模座。本文采用的是横向滑移模座。
二、建立模型
1、建立结构分析模型。前梁的初始结构为实心体，其长宽大小取决于挤压机吨位及整体框架结构。为了保证数值模拟的过程尽可能同实际工况一致，特构建由前梁、拉杆、拉杆螺母及承压垫组成的装配体作为整体分析模型，如图所示。
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前梁四角开有通孔，四根拉杆贯穿通孔与螺母连接，螺母端面紧贴前梁外端面。承压垫安装于前梁内端面中心沉孔处，用于承受挤压过程中的挤压载荷，承压垫同前梁中心设有通孔，为挤压制品的出料孔。装配模型建立后，导人有限元数值分析软件中，设置各零部件材料属性。对拉杆与螺母，螺母与前梁以及承压垫与前梁接触面进行设置。前梁在挤压过程中承受负载最大，由主缸力、侧缸力及挤压筒锁紧力沿挤压方向合成，该负载力垂直加载于承压垫的环面上。四根拉杆无螺母端一侧端面设置对称约束。对装配模型进行有限元网格划分，为了得到相对精准的模型，先采用自动划分再细化局部网格，获得有限元模型。
三、结构拓扑优化
在获得前梁装配体有限元模型的基础上，利用有限元分析软件采用变密度法进行结构拓扑优化。作为连续体结构优化的常用方法，变密度法假设结构材料的密度是可变的。在初始结构进行有限元离散后，将有限单元密度作为设计变量，将结构拓扑优化的问题转化成求结构内部材料分布最优的问题，即通过算法改变有限单元的密度值，以寻求结构具有最小变形能。以前梁变形能最小作为目标函数，结构体积作为约束条件，则拓扑优化的数学模型为：
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式中，U为结构变形能，P，为单元密度，F为结构体积，d为优化前结构体积，d为去除材料的体积。利用有限元数值分析软件获得的前梁内部拓扑优化结果，深灰色区域表示该区域材料可以去除，其余区域材料可以保留。从拓扑结果的横截面可以看出，前梁内腔整体保留材料呈米字状，且拉杆安装孔周边近似圆周区域材料予以保留，同时结合拓扑结果的纵截面可以看出，前梁中心沉孔及通孔附近圆周区域材料予以保留。可以看出，前梁空心内腔腹板结构呈米字状分布较为合理。
结构处理前后分析,传统理论计算对前梁进行强度和刚度校核时，前提是将前梁结构简化作为简支梁，并以集中力替代所受负载力，由此得到的简化模型计算结果精确度欠缺。本文将采用有限元分析法对前梁进行数值模拟，以获得相对精度更高的结果。首先，建立拓扑优化后的前梁装配模型，对优化前的实心前梁装配体以及优化后的空心腹板式前梁装配体分别加载工况载荷及约束条件，进行有限元结构静力学分析，并单独提取前梁结构的分析结果。在前梁的设计中，除了强度需要校核计算以外，为了保证设备的精度与制品的质量，还应该计算前梁的挠度，即前梁沿挤压方向的变形量。实心前梁及优化后的空心腹板前梁结构应力及变形结果，优化前后的前梁最大应力值分别为197．20 MPa、200．96 MPa，均出现在沉孔根部，应力大于100 MPa的区域亦集中在此，呈环状分布，区域范围很小且受压应力，其他绝大部分区域应力均低于100 MPa，前梁材质选用合适的铸钢件即可满足强度要求。从沿挤压方向变形可以看出，优化前后的前梁最大变形量分别为1.715um、1.902um，均在中心孔附近。优化前后的前梁各项指标可以看出，基于拓扑优化的前梁与原实心结构相比，在重量大幅下降30.46％的情况下，最大应力值增加1．91％，变化不大；最大变形量增加10．90％，但未超出铝挤压机一般要求的许可挠度3～5um。
结论
通过有限元数值分析验证，基于拓扑优化后的空心腹板式前梁的重量相比实心结构有了大幅下降，同时结构强度和刚度下降不大，足够保证前梁结构性能满足挤压机设备的使用工况。该前梁结构可通过钢板焊接或铸造手段获得，加工可行度高，可有效节约金属材料，降低制造成本，为挤压机前梁结构的轻量化设计提供了有效依据。
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