刘克松
江苏自动化研究所，江苏连云港 222061
摘 要：结构优化设计是大型机械工程领域内重点发展方向，实现了轻量化设计；以卡特彼勒公司生产的轮式装载机动臂为例，应用拓扑优化设计和有限元分析方法，使装载机的动臂结构有了很大的提高。
关键词：结构优化设计；轻量化设计；拓扑优化设计；有限元分析
1 拓扑优化的发展
结构优化设计是20世纪60年代随计算机技术的发展起来的一门学科，是现代大型机械工程领域内应用较多的结构设计方法，它的基本理论来源于拓扑学。
人们通常把结构优化按照设计变量难易程度划分为：拓扑优化、尺寸优化、形状优化、布局优化和类型优化。其中拓扑优化节省材料，可以广泛的应用到各个工程领域，被认为是一个最有挑战性的领域，其基本思想就是将寻求的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。
拓扑优化研究的主要领域分为离散变量拓扑优化和连续变量拓扑优化。离散结构拓扑优化已经发展的比较成熟，其是在设计空间内建立一个由有限梁单元组成的基结构，然后再根据算法确定设计空间内单元的取舍问题，留下来的单元将构成最终的拓扑方案；连续体拓扑优化就是把设计区域离散为有限网格，根据相应准则，删除某些网格。
拓扑优化设计放映了人们客观地认识世界，要求人们在遵循客观事实规律的基础上发挥主观能动性，得出最优化的设计方案。
2 结构优化设计的过程
结构优化设计是综合性很强的设计方法，为大型机构设计提供一个安全、可靠的方法。在保证机械零件在正常工作环境下，降低工程成本和缩短产品研发周期。其具体的优化过程可分为：确立优化模型、受力分析、建立模型、静力学仿真分析并确定优化结果。
2.1确立优化模型
优化模型的确立是结构优化设计中的首要环节。基于模型的选取，一定要根据大量的实验现象和科学理论依据，选择有代表性的，有充足的优化空间。例如选择卡特彼勒公司生产的Cat 980H型轮式装载机（图1）的动臂为研究对象，并对其展开一系列的结构优化设计。
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2.2受力分析
受力分析过程是整个结构优化设计过程中重要的组成部分，其准确度关系着整个结构优化过程的成败。在对优化结构进行受力分析时，尽量减少模型简化，保证受力构件及各个铰接位置的准确性。例如在对装载机进行受力分析时，首先要对其工作装置进行一个总体受力分析，紧接着在总体受力分析的基础上对工作装置的各个零部件进行分析，最后记录动臂上各个铰接点的受力结果。
2.3建立模型
建立模型（图2）在结构优化设计中起着承上启下的作用。一方面基于实践数据建立准确的模型，另一方面也为后续的静力学仿真分析和优化分析进行铺垫。在对模型进行建模时，可能会存在复杂的不规则实体和复杂曲面，一定要根据实际情况，切不能随意的简化模型，造成后续静力学仿真分析的误差。
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2.4静力学仿真分析并确定优化结果
基于对模型进行受力分析的结果，并对其进行静力学仿真分析是结构优化过程中重要的组成部分。静力学仿真分析主要包含两个部分：应力分析和位移分析。应力分析主要是为了保证零件的强度，而位移分析主要是满足零件的刚度。在进行静力学仿真分析前，需把建好的模型加载到ANSYS、Hypermesh、UG等一系列有限元分析软件，根据受力分析结果对其结构进行结构优化分析，对优化模型进行约束，得出应力云图、位移云图和拓扑结果。并且基于其分析结果，对结构进行优化改进，确定一个合理的优化模型结果。如卡特彼勒公司的Cat 986H装载机（图3）在动臂上采用了挖洞处理的方法，得出了新型动臂。新型动臂与原有动臂相比较，不仅在结构上取得了突飞猛进的成果，而且在质量上实现了轻量化，节约了生产成本，工作性能可以满足人们的日常工作需求，适应了市场发展需要，带动了公司的整体发展。
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3 结构优化设计的推广及展望
现代的大型机械结构都朝着大型化、复杂化发展，传统的结构设计方法在现代的机械结构设计中逐渐显露出其单调，不能适应新产品的创新设计，无法满足现代的机械发展。结构优化设计就是追求最好的优化结果，从众多的结构中挑选出最优秀的结构，使设计的大型机械结构一方面实现了零件轻量化处理，另一方面减少了生产成本的投入，提升了企业的竞争力、经济效益和社会效益，对人类合理利用自然资源打下了坚实的理论基础。
工程结构优化设计采用力学与有限元分析结合的思想，建立在力学的基础上，采用先进的结构优化设计方法，运用数学计算得出最优工程结构。通过对结构优化设计方法的分析和研究，可以使其应用到公司的产品当中。首先，以理论力学为依据，为新产品的研究和开发提供了力学设计的基础；其次，通过对优化模型的静力学分析，为结构的优化设计提供了强度和刚度条件，方便了对优化结果的筛选；最终，经过多次的对优化结果进行静力学分析，得到符合强度和刚度条件的最优结构。随着科学技术的发展，结构优化设计这一研究课题引起了国内外众多专家、学者的兴趣，并且成为发展的趋势，相信在大型机械工程领域一定会有越来越多的零件被改进。
参考文献
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[4]陈艺，张子军，潘明. 结构优化设计&有限元分析在机械设计中的应用[J]. 研究学苑. 2016.
作者简介：
刘克松，(1979-2)男，大学本科，工程师，研究方向为机器人技术