2019年6月份米其林轮胎为消除充气轮胎过度充气或充气不足引起的轮胎寿命缩短，降低因轮胎漏气或爆胎所致的相关危险，推出了免充气轮胎Uptrs。为迎合市场发展趋势，紧跟国际轮胎巨头发展步伐，我公司轮胎部门也在开发免充气轮胎，为提高免充气轮胎从生产精度及质量稳定性，对生产免充气轮胎使用的浇注机进行轻量化设计。

浇注机轻量化技术是在确保机身刚度和浇注精度的前提下，减轻机身重量，降低浇注机加工成本及操作困难度。而底座作为二组分浇注机主要承载部件，更是浇注机轻量化设计的重点。底座轻量化设计是在满足底座承载性能的同时减小底座质量，从而降低生产成本。国内外机械结构的轻量化研究主要集中在两方面：一是通过改变结构材料降低自重，二是改变结构形式。前者不能降低生产成本，因而多采用后者实现结构轻量化设计。

本文从结构上对底座进行轻量化研究，先采用三维建模软件Solidworks对二组分浇注机底座进行参数化建模，并将该参数化模型导入ANSYS Workbench中进行有限元分析，设计了基于底座的应力试验，将有限元仿真分析结果与试验结果对比，验证仿真分析结果的正确性，根据有限元分析结果，再采用拓扑优化与尺寸优化两级优化方法对二组分浇注机底座进行轻量化设计，并根据设计结果提出相应的底座结构改进方案。

一、底座有限元分析模型

1.模型的建立

浇注机底座为空间薄壁梁结构，主要由矩形钢管，钢板（密度ρ=7.84×103kg·m-3，弹性模量E=2.068×105MPa，泊松比μ=0.3）焊接而成，该底座所受载荷主要为垂直底座平面的集中载荷，根据车架结构和设计计算模型的准确性原则，在建立参数化模型时对其进行部分简化，去除一些对分析结果影响较小的几何特征，见图1。

1.保温箱托板；2.清洗罐连接板；3.浇注机转臂连接板；4.电控柜连接梁；5.A料罐计量泵电机托板；6.B料罐计量泵电机托板；7.A罐模温机支架连接梁；8.B罐模温机支架连接梁

图1 浇注机底座几何模型

2.底座结构网格划分

  对导入ANSYS Workbench的三维模型定义材料属性，选用Workbench平台默认的三维实体单元solid186，自由网格化分，网格尺寸定为3mm，得到底座结构有限元模型，见图2。共生成节点1036704个，单元549601个。

图2  浇注机底座有限元模型

二、静态应力分析

1.结构模型有限元分析

按照实际载荷大小与加载方式计算得到底座结构工况载荷与位移约束，对模型进行力的加载和边界条件设置见图3，底座结构载荷作用下应力云图见图4。

图3  底座正常工况

图4  浇注机底座静力学分析应力云图

在正常工况下对底座进行有限元分析（所用材料的屈服极限σs=235MPa），最大等效应力位于底座支腿与框架横梁连接处附近，最大等效应力σmax=61MPa＜σs，最大位移位于中间横梁与A料罐计量泵电机托板连接处附近，最大位移ξmax=0.34mm。

2.改进结构方案

通过静力学分析后的底座有限元模型和分析结果看，底座在正常工况下所受应力较小，底座强度存在较大设计余量，并且出现明显应力集中现象，为提高底座结构合理性，避免因应力集中造成的疲劳损坏，使减重效果更明显，对底座模型结构进行了改进，在底座中间横梁与A料罐计量泵电机托板连接处增加一支腿，体重比之前增加2.8kg，前后结构对比见图5。

图5  结构对比

3.结构改进后有限元分析

  改进后的底座结构模型所施加的载荷与位置约束，除增加一个支腿的位置约束外，其余与改进前保持一致，对模型网格划分和静力学分析，结构改进后应力云图见图6。

图6  结构改进后应力分布云图

  底座结构改进后应力集中现象有所改善，最大应力为27MPa，比之前有大幅降低。最大位移0.09mm，有明显减少。

4.底座轻量化设计

  为降低底座质量在浇注机整体质量的比例，参考前面结构优化后的有限元分析模型和静力学分析结果，本文采用拓扑优化与尺寸优化这两种优化方案对浇注机模型进行轻量化设计。

（1）拓扑优化

  拓扑优化以材料分布为优化对象，主要优化结构的拓扑结构，对底座拓扑优化的传统做法是：直接在底座结构的基础上进行拓扑计算，对拓扑结果建议删除的地方，减少结构尺寸，对拓扑结果建议保留的地方，增加结构厚度或宽度，以此增加底座结构刚度。根据优化结果重新建模，进行力学性能分析，并和原底座结构力学性能进行对比，得出优化设计效果。

  将已验证的底座模型导入Shape Optimization模块进行拓扑优化设计，设计中底座在正常工况下所施加的载荷和约束与静力学分析相同，根据减重需求，将优化目标设置为减重50%，优化结果见图7，红色区域为材料可去除部分，灰色为保留材料部分，根据底座实际功能及装配要求，对红色区域进行材料去除处理，根据优化结果对底座结构进行修改，修改后拓扑优化模型静力学分析结果见图8。

  根据实际情况和拓扑优化结果修改后，底座模型最大应力23.8MPa没有超过需用应力范围，底座结构经过拓扑优化，修改后的质量由改进结构后的591.4kg减少到514.9kg，减重76.5kg降幅12.9%，初步完成了底座的轻量化，由于仍存在设计余量，可用尺寸优化方法对底座进行小范围的精确轻量化设计。

（2）尺寸优化

  尺寸优化是结构优化设计方法中最简单直接的，主要是改变单元结构尺寸达到优化设计目的。设计变量通常取零件厚度或截面尺寸等，约束条件为满足零件条件的多性能指标。

  浇注机底座结构是根据经验设计确定的，按照设计要求，结构尺寸不能做大幅改变。因此，选取底座主要承载梁矩形管的壁厚D3及保温箱托板厚度T6作为设计变量，将底座总质量最小作为目标函数，将底座结构正常工况下最大应力σmax（不能超过所用材料的屈服极限σs=235MPa）及最大位移ξmax（不能超过垂直方向上位移许用值ξ，本文取ξ=5mm）设置为状态变量，在ANSYS Workbench中对相应变量参数化设置。

在进行优化设计时，对底座模型采用与之前相同的边界条件设置，优化前后各设计变量的取值见图9。

图9  优化前后各设计变量取值

  在优化算法中选用系统默认的筛选法对底座模型优化设计， 在ANSYS Workbench中设置相应设计变量变化范围后，对模型尺寸优化，得到三组参考数据，根据实际情况选取一组最优数据，如图9，可知拓扑优化后的底座模型经过尺寸优化，质量降低了111.8kg，降幅为21.7%，最大应力有所提升但并没超过材料的屈服极限，且存在设计余量，最大位移也未超过许用位移值。

  因此，浇注机底座模型经过拓扑优化及尺寸优化二级优化设计后，底座总质量由原本的588.6kg降为403.17kg，共减轻了185.43kg，降幅为31.5%，轻量化效果明显。尺寸优化后应力分布云图和每一次迭代各厚度的变化见图10。

图10  尺寸优化应力云图及设计变量迭代过程

三、结论

1.浇注机底座有限元模型建立，并网格划分。

2.对底座有限元模型进行静力学分析，并根据分析结果对底座进行结构上的改进，在底座底部增加一个支腿，能够在不明显增加底座质量的前提下极大地提高底座刚度。

3.根据静力学分析结果，对底座进行拓扑优化及尺寸优化两级轻量化设计，使底座质量共减轻了185.43kg，降幅为31.5%，实现了轻量化目标。