Creo有限元分析与优化设计

第４卷第４期黑　龙　江　大　学　工　程　学　报Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．４２０１３年１１月Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｎｏｖ．，２０１３基于Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ的木材抓具有限元分析与优化设计龙剑群，沈　微（东北林业大学工程技术学院，哈尔滨１５００４０）摘　要：为了使木材装载机木材抓具尺寸参数设计的更为合理精确以降低材料成本，借助Ｃｒｅｏ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ对木材抓具设计建立模型，通过Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ进行静态有限元分析，使用局部敏感度分析得出影响木材抓具承载性能的主要设计尺寸参数，利用全局敏感度分析得出主要设计尺寸参数对模型的综合影响，生成了木材抓具静态分析应力、位移云图，确定了影响木材抓具的主要设计尺寸参数，得出了木材抓具优化后的设计参数，验证了设计优化的可行性。

关键词：Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ；木材抓具；优化设计；装载机中图分类号：ＴＰ３９１．７；Ｎ９４５．１５ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５－００８Ｘ（２０１３）０４－００９２－０５Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｒｅｏ　ＳｉｍｕｌａｔｅＬＯＮＧ　Ｊｉａｎ－ｑｕｎ，ＳＨＥＮ　Ｗｅｉ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｃｏｓｔｓ．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒ　ｂｙ　Ｃｒｅｏ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｙ　Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆｔｉｍｂｅｒ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｇｒｉｐｐｅｒ　ｂｙ　ｇｌｏｂａｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｌｏｕｄ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｌｏｕｄｏｆ　ｓｔａｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｉｔ＇ｓ　ｌｅｇｉｔｉｍａｔｅ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒ　ｍａｉｎ　ｄｅｓｉｇｎｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ，ｏｂｔａｉｎｉｎｇ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅｄｅｓｉｇｎ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ；ｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ；ｔｉｍｂｅｒ　ｌｏａｄｅｒ收稿日期：２０１３－１０－２９基金项目：黑龙江省留学归国科学基金项目（ＬＣ２０１３Ｃ１２）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（ＤＬ０９ＢＢ２８）作者简介：龙剑群（１９９１－），男，湖南湘乡人，硕士研究生，研究方向：森林工程；通讯作者：沈　微（１９７７－），男，吉林永吉人，讲师，博士，研究方向：森林工程，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｗｉ５６＠１２６．ｃｏｍ。

０　引　言木材抓具是木材装载机有别于普通装载机的特色结构件，是木材装载机的重要工作装置，其结构性能的好坏将直接影响整机工作效率。

因此，将木材抓具尺寸参数设计的更合理，尽可能解决原材料使用成本的同时又能达到木材装载机的承载性能是文章的研究重点。

由于传统机械产品设计需经历漫长的设计周期并耗费大量人力物力，越来越多的企业运用ＣＡＤ／ＣＡＥ技术进行产品设计、分析、仿真与生产工作以达到降低产品研发周期与成本的目标［１］。

Ｃｒｅｏ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ集成了ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ技术并具有强大的三维造型与分析功能参数化软件，能够建立复杂的三维模型，图１为轮式木材装载机模型。

图１　轮式木材装载机三维模型Ｆｉｇ．１　３Ｄｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｗｈｅｅｌ　ｔｉｍｂｅｒ　ｌｏａｄｅｒｓＣｒｅｏ是ＰＴＣ公司在Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ系列产品的升级版新三维设计软件，其所集成的Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ模块与Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ中集成的Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａ模块类似，都能进行静动态分析、模态分析以及优化设计研究等工作［２－３］。

文章通过借助Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ　２．０对木材抓具进行优化设计，以木材抓具模型总重量最小化为目标，精细化设计变量，尽可能地降低材料成本。

为木材装载机企业以及其他需进行产品设计优化的企业提供借鉴，以降低材料成本。

１　木材抓具有限元分析１．１　木材抓具载荷分析与三维建模木材抓具是木材装载机的特色部件，抓具满载工作时的受力情况应当被着重关注，通过Ａｕｔｏ－ＣＡＤ　２００７与Ｃｒｅｏ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　２．０对木材抓具进行二维结构分析简图与三维模型创建，见图２、图３。

抓具的尺寸参数包括内部切入角、外部倾斜角、开度和宽度。

抓具的内部切入角α１，即抓具闭合且双铰接孔轴线所成平面水平时抓具内部前端切线与水平面形成的锐角，α１通常取值为α１∈［１５°，２０°］；抓具的外部倾斜角α２，抓具张开且双铰接孔轴线所成平面水平时抓具外部前端切线与水平面形成的钝角，α２通常取值为α２∈［９５°，１０５°］；抓具开度Ｌ以及抓具宽度Ｈ［４－５］。

当木材装载机抓取木料后抓具双侧液压缸闭合时，其所受抓具液压缸ＡＩ和ＢＪ对抓具的夹紧力ＦＹ，与此同时图２　木材抓具结构分析Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗｉｔｈ　ｗｏｏｄ　ｇｒｉｐ图３　木材抓具三维模型Ｆｉｇ．３　３Ｄｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒ抓具内的木料被夹紧会产生垂直于抓具内腔表面的反作用力ＦＮ，在进行木材抓具分析时还需要考虑所抓取木材的重量ＦＧ。

拟定的额定载重量为１　０００ｋｇ，抓具可容纳面积为３．５ｍ２，按照木材长度为４ｍ，来计算装满木材抓具时最大极限载重量，一般木材密度值ρ≤０．８×１０３　ｋｇ／ｍ３，但也有如蛇纹木其气干密度能达到ρ蛇纹木≈１．３６×１０３　ｋｇ／ｍ３的特殊情况，因此这里取ρ＝１．２×１０３　ｋｇ／ｍ３，计算得最大极限载重量Ｆｍａｘ＝１．６８×１０３　ｋｇ。

１．２　静态有限元分析１）材料定义。

通过选择工具栏中的打开“材料”对话显示框，在材料目录中选中ＳＴＥＥＬ后，选择按钮指向模型。

２）约束定义。

在Ｃｒｅｏ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ中约束主要包括“平面”、“销钉”、“球”、“位移”以及“对称”约束类型。

本分析拟定其工作状态为木材抓具有载闭合时静态的受力状况，需对木材抓具与抓具回转支撑梁的铰接点进行“销钉”约·３９·第４期 龙剑群，等．基于Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ的木材抓具有限元分析与优化设计束，销钉轴向转动设置为“自由”，销钉轴向移动设置为“固定”。

３）载荷定义。

在Ｃｒｅｏ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ中载荷包括“力／力矩”、“压力”、“承载”、“重力”、“离心”以及“全局温度”载荷。

通过分析测量出受力面积区域之和约为０．２７ｍ２，因此计算出在额定载重量下木材抓具所承受的压力为Ｐｍａｘ＝０．６１ＭＰａ。

４）静态分析。

Ｃｒｅｏ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ会自动将之前所定义的约束与载荷自动匹配到对话框中的载荷与约束集栏内，根据分析要求，可以自行设置网络栅格大小等操作，设置栅格数为最大上限１０，便于更好的分析［６］。

完成后选择“运行”按钮，同时在“显示研究状态”中查看当前分析研究日志，完成后选择“查看设计研究或有限元分析结果”按钮，得到木材抓具有限元分析结果，见图４、图５。

图４　木材抓具应力云图Ｆｉｇ．４　Ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｔｏｕｒｓ　ｏｆ　ｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒ通过木材抓具应力与位移云图显示最大应力值为９．７７９ｅ＋０２ＭＰａ，最大位移量为７．４５９ｅ＋０１ｍｍ，可见木材抓具在承受最大极限载荷的情况下抓具铰接点附近的区域“加红”显示。

“加红”区域所承受的应力相对其他区域较大，同时该区域在有载工作时发生危险的几率也相对较高［７］。

２　木材抓具优化设计２．１　灵敏度分析２．１．１　局部灵敏度分析将孔径Ｄ、抓具宽度Ｈ、切入角α１和倾斜角图５　木材抓具位移云图Ｆｉｇ．５　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｏｕｒｓ　ｏｆ　ｔｉｍｂｅｒ　ｇｒｉｐｐｅｒα２４个抓具设计参数作为局部灵敏度分析的对象，分析结果见图６～图９。

图６　孔径Ｄ的局部灵敏度分析Ｆｉｇ．６　Ｌｏｃａｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇｒｉｐｐｅｒ ｓ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ（Ｄ）图７　抓具宽度Ｈ的局部灵敏度分析Ｆｉｇ．７　Ｌｏｃａｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇｒｉｐｐｅｒ ｓ　Ｗｉｄｔｈ（Ｈ）·４９·黑　龙　江　大　学　工　程　学　报 第４卷图８　切入角α１的局部灵敏度分析Ｆｉｇ．８　Ｌｏｃａｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇｒｉｐｐｅｒ ｓａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｃｕｔ（α１）图９　倾斜角α２的局部灵敏度分析Ｆｉｇ．９　Ｌｏｃａｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇｒｉｐｐｅｒ ｓａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｔｉｌｔ（α２）通过对４个主要设计参数进行局部灵敏度分析，可见对抓具应力影响较大的参数为抓具宽度Ｈ和切入角α１，因此在优化设计中需要着重优化Ｈ与α１从而达到优化意图。

２．１．２　全局灵敏度分析抓具宽度Ｈ和切入角α１的全局灵敏度分析，见图１０、图１１，可见木材抓具工作时所受的应力随着抓具宽度Ｈ的增大而减小，随着切入角α１的增大而增大。

２．２　优化设计２．２．１　建立设计优化模型Ｃｒｅｏ　Ｓｉｍｕｌａｔｅ中的“优化设计研究”可以通过设定优化目标、约束条件以及参数区间，在所需图１０　抓具宽度Ｈ的全局灵敏度分析Ｆｉｇ．１０　Ｇｌｏｂａｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇｒｉｐｐｅｒ ｓ　Ｗｉｄｔｈ（Ｈ）图１１　抓具切入角α１的全局灵敏度分析Ｆｉｇ．１１　Ｇｌｏｂａｌ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇｒｉｐｐｅｒ ｓａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｃｕｔ（α１）的区间内利用序列二次规划优化算法对木材抓具进行结构优化设计，因此需建立数学模型：ｍｉｎ　ｇ（Ｘ）ｈ（Ｘ）≥０，ｉ＝１，２，３，…，｛ｎ其中：ｇ（Ｘ）＝∑ｍｋ＝１ΔＦｋΔＡｋ式中ｍ为模具有限元网格划分的四面体个数；ΔＦｋ为第ｋ个有限元的合力；ΔＡｋ为第ｋ个有限元的面积。