工程机械履带架结构拓扑优化研究

摘要

履带行走装置具有承载能力大、结构刚度大、接地比压小、对土壤附着性能好、通过性能好等特点，在工程机械领域获得了广泛应用。履带架作为履带行走装置中重要的结构件，对其进行结构优化设计是决定其承载性能的关键。本文采用拓扑优化的方法，对履带架结构形式进行合理布局，改善载荷传递路径以充分发挥材料力学性能，从而提高履带架的承载能力。
　　履带架结构复杂，工况较多，且不同工况载荷差异较大，其拓扑优化问题属于典型的多目标优化问题。使用常规拓扑优化方法难以得到满意的结构形式。针对这一问题，本文提出了新的优化设计方法即基于满意度理论的改进折衷规划法，以实现履带架多任务况下的拓扑优化设计。论文的主要研究内容如下:
　　(1)基于变密度法的插值理论，建立了最小应变能拓扑优化问题的数学模型，阐述了移动渐近线法作为数值算法求解该数学模型的过程，研究了变密度法求解拓扑优化问题可能出现的数值问题及对应的解决办法。
　　(2)基于多目标优化理论，建立了折衷规划法求解多工况最小应变能问题的数学模型，研究了满意度基本理论及数学表达。
　　(3)分析了本机型中履带架的典型工况，在OptiStruct软件中建立了拓扑优化的有限元模型，并完成了单工况最小应变能优化问题的求解。通过比较优化结果，选择了合适的优化参数。
　　(4)基于满意度理论，对折衷规划法进行改进，得到了动态的各个分目标权重系数，采用OptiStruct求解多目标优化模型，得到了多工况下最优材料分布形式。
　　(5)根据拓扑优化结果，得到了改进后的履带架结构形式。对关键位置板厚的尺寸进行了优化，对尺寸优化后结构进行静力学分析，并与优化前的结构进行对比，展示了拓扑优化及尺寸优化的效果。