本文研究的是关于登高车高效垂直输运装置最大静态刚度优化设计，  东莞中堂登高车出租,  东莞登高车出租, 登高车出租  采用单载荷步的方式，加载最大张力作为唯一的载荷，以“结构柔度”作为优化目标函数，将“VOLUME”作为约束条件，并设定阀值；选择法优化算法为OC准则，设定优化迭代次数10次。分别取阀值为20%、30%、40%、50%、60%，计算得拓扑优化结果的单元密度云图：由连续体拓扑优化变密度法的数学模型可知，系统自带拓扑优化以伪密度值为设计变量，模拟结果中红色部分为需要保留的，蓝色部分为可以删除的。从图中可以看出随着体积删除率的增大，红色部分逐步缩小，蓝色部分逐步增大。提取伪密度值为0.8~1.0之间的单元，绘制优化进程变化曲线如图体现了随着拓扑优化百分比的变化，最大应力和最大位移之间的变化趋势。随着优化百分比的增加，最大应力和最大变形逐步增大；优化百分比位于0到20%之间时，最大应力值和最大位移量的增大情况并不明显，变化情况比较平稳；当优化百分比超过30时，最大应力值和最大位移量就表现出比较明显的增大趋势；当优化百分比进一步提高到50%以上，则最大应力值和最大位移量急剧上升。体现了随着拓扑优化百分比的变化，体积变化趋势。随着优化百分比的增加，体积的变化情况还是比较均匀的。分析外链板拓扑优化结果，发现外链板耳部以及中心区域的单元总是优先被去除掉，因此根据这种趋势，重新设计了外链板拓扑结构，去除外链板两边耳部及中心区域的部分材料。重新建立了外链板分析模型.

   分析拓扑优化后的外链板。可以看出，应力集中位置依然位于轴孔处，最大应力值为179MPa，最大位移为0.146mm；除极少数部分，大部分的应力水平处于21.5MPa到120MPa之间，应力分布更加均匀，材料的利用率明显提高；较优化前模型，最大应力和最大位移的变化不大分别增加了5.02%和6.85%，而自身体积减少了12.95%。

   内链节的拓扑优化设计不同于外链板，内链节本身结构较为复杂，无法像外链板一样简化成二维板模型，因此对内链节的拓扑优化依然采用三维实体模型作为初始模型，尺寸参照优化后模型，建立内链节四分之一模型：单元的选择和网格划分根据ANSYS自带拓扑优化模块所提供的可以使用的三维实体单元，这里选用SOLID95单元来建立内链节拓扑优化有限元模型。设定优化区域时，考虑到套筒处作为接触配合和施加载荷的部分，因此选择套筒部分的单元作为不优化区域，内链板部分作为优化区域。同时为了能获得比较好的优化结果，采用比较细密的网格划分，控制全局尺寸为0.01，划分得14636个单元，69278个节点。

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     施加载荷最初，加载载荷的方式依然采用类似于通过销轴加载的方法，即在分析模型中添加销轴的实体，销轴外表面和套筒内表面设置接触对，在销轴两侧施加载荷通过接触配合传递载荷到内链节上，同时将销轴以及套筒设置为不优化区域。这种方法设置简单，但是实际执行中，发现每一次的优化循环都会花费过多的时间，造成优化效率低下。分析原因：一方面为了使得到更好的拓扑优化效果，网格划分要尽可能的细密，添加销轴会大大增加单元数量；另一方面，拓扑优化使用的SOLID95单元为20节点单元，其节点数量远大于SOLID185单元，连带的采用接触配合来传递载荷又进一步地增加了优化循环的计算量。上述因素相互叠加，造成拓扑优化计算量过大使得优化循环难以进行。综上，为了简化拓扑优化计算量，本文在研究内链节的拓扑优化时，使用在套筒上直接施加等效面载荷的方法以取代原先的通过轴孔接触配合施加载荷。这样能极大的减少拓扑优化的计算量，减少计算耗费的机时。在施加载荷前，首先研究了轴孔配合处接触压力分布情况如图反映了销轴和套筒配合处，接触压力分布情况。可以看出接触压力主要分布在套筒的两侧；一般认为接触压力周向分布情况呈一种三角函数的分布规律，从压力云图中也能看出；轴向接触压力分布更为复杂，整理可得节点接触压力沿轴向数值分布情况，图中原点位置为套筒外侧端点，即靠近原点的部分为外侧，远离原点的为内侧。为了方便得出面载荷分布函数，将轴孔处压力分布分解成外侧段、中间段、内侧段三段，分别进行数据拟合。反映了内链节外侧段采集数据拟合情况，选择三次多项式就能获得比较好的拟合效果，拟合得出的拟合曲线为：𝑦=8999.512𝑥3−696.836𝑥2+0.2839𝑥+0.60533；同样，对内侧段的数据拟合见图5.10（b），使用二次多项式就能获得比较好的拟合效果，拟合得出的拟合曲线为：𝑦=142.28𝑥2+36.141𝑥+2.1818；中间段的压力载荷可以忽略不计。总结内链节套筒内壁受力情况得：接触压力在圆周方向上的分布呈三角函数分布特点，而该函数的振幅在轴向方向上呈分段函数分布特征，将分段函数代入三角函数中可得到接触压力在内链节套筒内壁的空间分布函数，其中在外内侧部分的分布函数分别为𝑓𝜃,𝑧=8999.512𝑧3−696.836𝑧2+0.2839𝑧+0.60533∗𝑐𝑜𝑠𝜃（5.2）𝑓𝜃,𝑧=142.28𝑥2+36.141𝑥+2.1818∗𝑐𝑜𝑠𝜃（5.3）式中：θ为圆周位置，取值范围−90°，90°；z为轴向位置坐标，为了方便计算，以套筒左端点为Z轴原点；以套筒右端点为Z轴原点。将拟合出的接触压力空间分布函数施加在内链节套筒内表面上作为等效载荷，该载荷加载方式能真实还原内链节的载荷情况，同时无需加载销轴和接触单元使得在保证网格划分精度不变的同时，网格数、节点数大大减少在优化计算中能极大地减少计算规模，使优化循环得以顺利高效进行。分别取阀值为5%、10%、15%、20%、25%，计算得拓扑优化结果的单元密度云图，如下：分析内链节拓扑优化伪密度云图变化趋势，可以看出对于内链板部分，耳部以及中心区域的单元总是优先被去除掉，这种趋势与外链板的变化趋势基本一致。根据这种趋势，同时参考外链板的拓扑优化结果，重新设计了内链节的拓扑结构，去除两边耳部及中心区域的部分材料。重新建立了内链节分析模型。结果显示：最大应力值为248MPa，优化前为261MPa，下降了7.8%；最大位移量为0.211mm，优化前为0.198mm，增加了6.5%；而自身体积由原来的0.013448m3下降至0.012041m3，减少了10.46%。

      验证拓扑优化后整体的优化效果，在NX中建立拓扑优化后的模型：其中包括一组完整的、且不受边界条件和载荷直接加载的链节，以模拟真实环境；上部为四分之一内链节，用于加载边界条件；下部为外链板连接一个矩形块，方便施加载荷；载荷分别为链条自重和外界载荷产生的张力，考虑到拓扑优化后去除部分材料造成链条自重下降的因素，根据新模型计算载荷。导入ANSYS中完成网格划并设置接触对得：108611个单元、121579个节点。完成解算后通过后处理去除模型上部和下部获得中间一组完整的链节。单个链节自重为0.3665T，较优化前减少了8.81%；最大应力为288MPa，略小于拓扑优化前的分析结果，考虑到链条自重下降造成的总载荷的下降，可以认为这里的结果是合理的；由张力导致的链条伸长量为1.536mm，登高车高效垂直输运装置伸长率小于等于0.155%。从整体上看，拓扑优化并去除部分低效材料后的结果并没有对结构造成任何不利影响，而自重的减少对于装置性能的提高有显著的帮助，因此可以认为，本文的拓扑优化是合理的，且优化效果比较明显。 主要基于ANSYS自带的拓扑优化模块，以结构柔量能量极小化为目标函数，分别对外链板和内链节进行拓扑优化，以提高材料的利用率。在优化过程中，针对优化过程耗时过大的现象，采用直接加载等效载荷的方法代替之前的通过接触面传递载荷，能够有效提高优化效率；优化结果显示：主要由张力作用下，链板两侧耳部以及中心区域的材料认为是低效的，可以被优先去除掉；在保持整体主要性能参数稳定的前提下，本文对外链板和内链节拓扑结构重新设计，去除部分低效的材料，使外链板自重下降了12.95%，内链节自重下降了10.46%，对应的总体自重下降了8.81%。对拓扑优化后模型的分析中显示：应力和变形优化前后保持稳定，低效单元数显著减少，材料利用率得到提高。拓扑优化设计能够有效避免结构设计的盲目性，在提高性能、降低成本、减少设计周期等方面能够发挥着关键的作用。研究表明，连续体结构拓扑优化技术对登高车高效垂直输运装置设计开发具有很高的指导意义和参考价值。本章的拓扑优化依然趋于保守，从拓扑优化的趋势和最后的结果中可以看出，该装置依然存在很大的优化潜力。

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