Inspire辅助设计快锻压机活动横梁结构

项目介绍

大型锻压机作为一种重要的金属压力加工设备，其在国民经济各部门获得了广泛的应用。锻压机大都采用三梁（上梁、下梁和活动横梁）的结构型式，其主要结构一般由铸钢浇铸而成。活动横梁一般承受液压缸柱塞的输出力及砧子压缩工件的反力作用，是锻压机的主要受力部件，同时，活动横梁的刚度将直接影响锻压机的成型精度。因此，在锻压机的设计中，如何做到使活动横梁的刚度强度达到设计要求就成了大型锻压机设计的关键技术之一。采用现代设计方法对活动横梁进行结构优化设计，对提高使用寿命、成型精度、增加经济效益具有重要意义。目前尚无活动横梁概念优化设计方面研究的报道。

挑战

以往在对锻压机主要结构件进行“优化设计”，主要依靠人工反复“修正设计参数-再分析”的方法来寻找较优的设计方案，不仅过程冗长，而且结果受人工干预的因素较多。

解决方案

设定设计空间活动横梁与工作缸的柱塞相连以传递液压机的作用力，左右两边安装有导向套，以立柱为往复运动的导向，下表面安装和固定模具或砧子，因此活动横梁应有足够的承压能力，同时活动横梁还应具有一定的刚度与抗弯能力。立柱通过上下横梁组成的机架部件安装于地面上，所以可以认为是相对固定的部分，活动横梁通过导向套与立柱相连，所以可以将活动横梁的受力及约束状态。按照设计的总体尺寸大小，首先确定预留安装位置的大小及尺寸，将剩下的部分定义为设计空间。拓扑优化分析中所使用的材料为ZG270-500。

活动横梁装配示意图

1-活动横梁；2-立柱；3-导套

设定约束条件

将活动横梁分析模型的安装导向套的部分施加x、z方向的约束，释放y方向约束。活动横梁与上砧总成连接的部分提供反作用力，属于位移边界条件，所以施加y方向的约束，释放x、z方向约束。活动横梁上部安装有三个不同的油缸，按照极限工况，中间液压缸输出29MN作用力，两端侧缸各输出8MN作用力。

设定形状控制

活动横梁满足两个方向上的对称条件，所以激活竖直与左右两个对称平面。在水平面上施加一个拔模方向的控制，在分模平面上可以按照受力情况局部控制材料的增减。

活动横梁的拓扑优化结果

solidThinking Inspire软件中运行拓扑优化分析计算后，得到W形状的优化结果，说明活动横梁在整个受压、受弯的使用工况下，W形状的材料是必须存在的，同时保证了整体刚度最大。活动横梁拓扑优化的结果颠覆了传统的设计理念。

优化分析模型的再造

将拓扑优化分析后的结果形成的拓扑优化形状在3D软件中进行模型再造。模型再造过程中，一是需要兼顾拓扑优化分析的结果，二是要满足设计、制造的标准，最后还要保证设计的美观。

再造模型的前度分析

活动横梁拓扑优化分析后的结果虽然保证了最大刚度的优化目标，但是优化后的活动横梁是否满足设计的强度要求还需要进行分析判断。所以将3D模型导入到HyperMesh软件中进行网格划分，保证强度分析中需要的优质网格。然后按照拓扑优化分析建模的相同约束条件进行受力及边界条件的处理，计算后得到分析结，最大等效应力为122.5MPa，设计中选择的材料为ZG270-500，屈服极限为270MPa，满足了设计中要求的最低安全系数为2的要求。

结果及结论

依据活动横梁的特点，利用solidThinking Inspire软件进行概念设计，以整体刚度最大为优化目标，对活动横梁进行拓扑优化分析，最终得到活动横梁的最优设计形式。

solidThinking Inspire从建模、加载求解，形状控制、结果提取等操作几乎无需过多的人为操作，操作界面易用友好，可以最大限度的提高设计效率。在进行产品设计时，其发挥的作用和获得的效益甚为明显，非常符合预期的结构功能需求。

（内容、图片来源：Altair官方文件）

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