向上升，蒋绍军，冯 豪，钟志兴

(广西柳工机械股份有限公司, 广西 柳州 545007)

基于ANSYS-Workbench的某型号挖掘机散热器支架结构优化*

向上升，蒋绍军，冯 豪，钟志兴

(广西柳工机械股份有限公司, 广西 柳州 545007)

以降低成本、提高舒适性为目的，应用ANSYS-Workbench软件对挖掘机散热器支架进行了结构优化，结构减重10.8%，结构固有频率移动了发动机主要工作频率范围外，减小了共振的可能性。

挖掘机；散热器支架；结构优化

1 挖掘机散热器支架介绍

挖掘机散热器总成装配如图1所示，主要由油散热器、水散热器、空空中冷散热器、散热器支架和导风罩总成等组成。油散热器、水散热器、空空中冷散热器都是通过4个安装螺栓和垫套1固定在散热器支架上；散热器支架安装螺栓和弹性垫套5固定在挖掘机回转平台横梁上，紧挨发动机布置；拉杆8一端固定在散热器支架上，一端固定在回转平台上，斜拉稳定住散热器。

图1 散热器总成装配图1.散热器安装螺栓及垫套 2.空空中冷散热器 3.水散热器 4.油散热器 5.支架安装螺栓及垫套 6.导风罩总成 7.散热器支架 8.拉杆

散热器支架结构由板材焊接而成，如图2所示主要由弯板1、拉板2(2块)、安装板3(2块)、底板4及上支撑板5等构成。

结构优化一般通过经验、拓扑优化、参数优化[1]等方式进行，主要从强度、刚度、屈曲稳定性和结构固有频率等方面对结构进行分析。挖掘机散热器支架的主要由板材构成，根据设计分析经验和公司现有的制造能力，笔者采用合理布置结构板厚和局部加强的方法对散热器支架结构进行优化。

图2 散热器支架结构和加载约束图1.弯板 2.拉板 3.安装板 4.底板 5.上支撑板A.油散热器质量点 B.水散热器质量点 C.空空中冷散热器质量点 D.导风罩总成质量点 E、F.安装板固定 G.惯性加速度 H、I.拉杆远程固定

2 结构优化有限元分析

2.1 前处理

2.1.1 材料和单元

散热器支架材料以Q235为主，屈服强度为235 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3。

模型单元以具有“壳单元性能”的实体壳单元SOLSH190为主，其他为8节点六面体SOLID185；单元大小以10 mm为主，关键区域为5 mm、2 mm，总共约4万单元22万节点；散热器支架焊接处定义为粘结(Bonded)接触，市场很少反馈该结构的焊接问题，该文假定结构有足够的焊接强度。

2.1.2 加载

散热器支架本身只承受总成主要部件的重力，在Workbench中散热器其他主要部件简化为质量点，把部件质量点和安装位置关联起来，如图2所示主要质量点为4个。

散热器支架承受其他部件静态平衡重力较小，主要考虑散热器支架在发动机振源作用下的力学性能。固定散热器支架的挖掘机回转平台横梁的振动加速度一般为2～20 g(20～200 m/s2)，取回转平台横梁的振动加速度为4 g，加上散热器支架自身的重力作用，如图2所示加载的惯性加速度为5 g。

2.1.3 约束

散热器支架与回转平台横梁通过螺栓紧固安装，如图2所示散热器支架底板3采用固定(Fixed Support)约束。

如图1所示拉杆8与回转平台横梁通过螺栓紧固安装，在图2中定义此处为远程固定(Remote Displacement)约束；拉杆与散热器支架本身采用粘接(Bonded)接触形式。

2.2 静力分析

原结构应力如图3所示，大部分应力都小于30 MPa，综合考虑原结构强度和刚度，说明支架板厚存在减小的空间。

优化结构应力如图4所示，与原结构相似大部分应力都小于30 MPa。相比原结构，优化结构较大应力区更少，应力流分布更合理，如表1所示，优化结构的具有更好的刚性，最大变形量减少70%；尽管优化结构的最大应力大于原结构，最大应力区域为安装板与底板焊缝处，但最小安全系数大于2，满足设计要求。

图3 原结构的应力云图 图4 优化结构的应力云图

表1 结构强度和刚度分析结果

2.3 屈曲稳定性分析

散热器支架为薄板结构，而薄板结构容易屈曲失稳，为此需要进行屈曲稳定性分析。该文以线性屈曲[2]来分析散热器支架的屈曲强度。ANSYS-Workbench中只要有限元模型所加载荷的数值大于1，线性屈曲分析得到的第1阶屈曲特征值可近似看为结构屈曲稳定性的安全系数。图5为原结构的屈曲振型图，图6为优化结构的屈曲振型图，比较两图可看出优化后结构在薄弱位置实施了局部加强，屈曲稳定性增强，具体安全系数如表2所示。

图5 原结构的第1阶屈曲振型图 图6 优化结构的第1阶屈曲振型图

表2 屈曲稳定性安全系数

2.4 模态分析

挖掘机工作油门不连续，采用5～15档位的油门旋钮；发动机转速一般为700～2 200 r/min，怠速振动频率为37～45 Hz，主要工作振动频率为83～107 Hz。散热器支架设计的振动频率尽量避开挖掘机怠速振和主要工作振动频率范围，一般要避开发动机频率2 Hz以上[3-4]。

表3为散热器支架优化前后的固有频率，可看出原结构和优化结构的固有频率都不在发动机怠速区，然而原结构有3个固有频率在发动机主要工作频率范围内；优化结构的固有频率都不在发动机主要工作频率内，且频率与发动机频率相差2 Hz以上。

图7为原结构有代表性的振型图，表明上支撑板、弯板下端、拉杆的抗弯曲能力太差。图8是优化结构最难调整的一个振型，上支撑板与弯板下端弯曲刚度差，最后通过在上支撑板和弯板下端板上贴上2 mm的加强板才让结构固有频率大于107 Hz。

表3 结构固有振动频率 /Hz

图7 原结构的第9阶模态振型图 图8 原结构的第6阶模态振型图

图9 结构优化改进部位图

2.5 优化措施及效果

散热器支架优化后减重达10.8%，最大变形量减少70%，结构刚度和屈曲稳定性增强，结构固有频率在发动机怠速和主要工作频率范围外，具体的改进措施如图9和表4所示。

表4 结构改进项目(对应图9)

3 结 语

对某型号挖掘机散热器支架结构进行了优化，减轻了重量，降低了成本，增强了屈曲稳定性，通过改变结构把固有频率调整到发动机怠速和主要工作频率范围外，降低了散热器支架共振的可能性，改进了舒适性。

提出了一种基于ANSYS-Workbench结构优化思路和方法，对以后工程机械方面的结构优化设计提供技术参考。

[1] 施朝坤，冯 豪，包刚强.基于参数优化方法的挖掘机动臂轻量化设计[J].工程机械，2013，44(12)：44-50.

[2] 凌桂龙，丁金滨，温 正.ANSYS Workbench 13.0从入门到精通[M] .北京：清华大学出版社，2012.

[3] 谭继锦，张代胜.汽车结构有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4] 杨 帆，吴小平.液压挖掘机工作装置有限元静强度分析[J].机械，2013(4)：56-58.

Structure Optimization of an Excavator Radiator Bracket by ANSYS-Workbench

XIANG Shang-sheng, JIANG Shao-jun, FENG Hao, ZHONG Zhi-xing

(GuangxiLiugongMachineryCo.,Ltd,LiuzhouGuangxi545007,China)

Radiator bracket of excavator is optimized by ANSYS-Workbench to decrease cost and improve comfort. The weight is decreased by 10.8%, and the structure frequency is moved off main work frequency of motor and reduce the probability of syntonization.

excavator; radiator bracket; structure optimization

2013-12-15

向上升(1981-)，男，湖南益阳人，工程师，硕士，主要从事工程机械结构分析和设计方面的研究工作。

TH11

A

1007-4414(2014)01-0076-03