起重机是广泛使用的起重设备,而起重机箱型梁的重量占起重机总重的一半还要多,起重机箱型梁结构的性能影响到整个起重机的性能,故对其进行合理的优化设计是很必要的。文章依据有限元理论和拓扑优化思想,以30t双梁桥式起重机箱形梁为研究对象,选用固体各向同性微结构(SIMP)材料插值模型,建立体积为约束柔顺度最小化的优化模型,采用OC准则求解得到最优拓扑结构,对拓扑优化中出现的棋盘格现象和网格依赖性选择灵敏度过滤进行处理,并通过编写的MATLAB程序实现箱形梁的拓扑优化,使箱形梁结构整体刚度得到提高。

为改善结构的动态性能,在拓扑优化的过程中,对结构的基频进行优化,在获得设计空间中材料最佳分布形式所对应的拓扑结构的同时,使得结构的基频高于扰动频率。拓扑优化分析采用变密度法,基于SIMP密度材料插值模型建立位移和频率约束重量最轻模型,使用MATLAB函数和逆迭代法两种方法提取结构频率,通过灵敏度过滤来抑制数值不稳定现象,使用OC准则迭代求解优化结果。在结构静态拓扑优化设计的基础上,研究结构的动力学拓扑优化设计问题,对于提高结构的动态响应能力具有重要的意义。

四立柱液压机下横梁为箱型结构，通常采用经验和类比进行设计，结构合理性有待验证，而使用拓扑优化方法可以在结构初期设计阶段就找到材料的最优分布。使用变密度法拓扑优化理论，基于SIMP密度材料插值模型建立柔顺度最小体积约束数学模型，通过灵敏度过滤来抑制数值不稳定现象，使用OC准则迭代求解下横梁优化结果，确定最优传力路径，最后通过模型重建设计出全新四立柱液压机下横梁概念模型，并在有限元软件中验证该结构的可行性。此研究对四立柱液压机下横梁设计具有一定的指导意义。