摘要：为了加快产品投放市场的周期，提高产品性能，结构优化技术将CAE带入产品开发初期，加快产品设计进程，完善产品的设计方案。本文介绍了卓越的虚拟优化软件Altair OptiStruct的特点，以及使用该软件对某一型号高密度聚乙烯材料叉车托盘进行优化，开发出一个全新的设计结构，实现产品设计性能上的改进，同时大幅降低产品的开发成本。

案例分析

本文的研究对象是高密度聚乙烯（HDPE）材料叉车托盘（尺寸为40英寸×80英寸）――美国Menasha公司下属的奥必思子公司产品。对该叉车托盘的重新设计方案分为三个步骤：1）首先进行概念结构设计，运用拓扑优化技术，对设计空间进行评估，预测出该结构在承载一定重量货物条件下达到最大刚度的最佳材料布局。2）在拓扑优化结果基础上，对加强筋和壁板进行尺寸优化以及形状优化。3）最后对该产品进行各种承载状况下的非线性分析，评估托盘的碰撞性能。图1是给定设计空间的有限元模型（设计空间用蓝色区域显示）。

拓扑优化考虑以下五种载荷工况：

1. 托盘置于地面上，承受均匀载荷
2. 托盘置于地面上，60%的载荷分布在其内部区域
3. 托盘置于地面上，60%的载荷分布在其外部区域
4. 托盘置于叉车上，60%的载荷分布在其内部区域
5. 托盘置于叉车上，60%的载荷分布在其外部区域

如图2显示，置于地面上的塑料托盘，在承受均匀载荷情况下拓扑优化结果的材料分布。

综合考虑其它四种载荷工况下的拓扑优化结果，最终形成概念设计结构。在托盘的概念设计阶段除考虑载荷工况之外，同时也考虑其它因素，包括制造方法、材料选用、堆垛方式等。如图3显示的设计结构，采用了优化的加强筋布局结果。

第二个分析阶段是在拓扑优化结果基础上，对加强筋和壁板进行尺寸优化以及形状优化，使得结构最轻。在这一步优化过程中，除考虑前文所述的五种载荷工况之外，再增加一个载荷工况，即叉车推动放置在地面上且受载均匀的托盘，托盘承受重量为2300lb的载荷，货叉间距分为18英寸和9英寸两种情况。HDPE的屈服应力为2200psi，对托盘在所有载荷工况下施加低于屈服应力的应力约束2000psi。同时施加位移约束。图4和5分别显示了第一步迭代和第四步迭代后的壁板厚度分布。

在考察多步迭代结果之后，最终的托盘设计采用双层加强筋结构，重量约为21磅。

第三步分析阶段，首先对托盘分别放置在地面和叉车上的三种不同承载状况下进行性能分析：

1. 承受2300lb均匀载荷
2. 承受5×4000lb的货物载荷
3. 承受5×6000lb的货物载荷

承受均匀载荷工况下的分析结果显示，当托盘放置在叉车上时，货叉间距较短的情况下，托盘更危险。因此，对于后两种载荷工况，仅对托盘在较短间距的货叉上堆垛货物进行分析。托盘承受均匀载荷工况采用线弹性分析，而承受5箱货物载荷工况采用非线性弹塑性分析。其中位移和应力结果如表1-3显示，表明托盘在此三种承载工况下的性能能够满足制造商的要求。

然后对托盘进行跌落碰撞分析，假设一堆摆放整齐的托盘，一个托盘从上端跌落下来，其中一个垫脚先接触地面，而后其它垫脚接触地面。假设托盘从2英尺的高度垂直跌落。图6显示了较高应力集中区域垫脚的应力分布情况。建议设置倒角或局部加强结构来降低此区域的高应力值。

假设托盘置于地面上，承载重量为2300磅的货物，由叉车推动托盘，对此工况进行摩擦分析。应力结果显示，在货叉和托盘的接触区域可能发生局部破坏。因此，设置局部加强结构有利于降低该区域的应力水平。

最后对托盘进行结构分析，假设叉车以5英里/小时的速度，碰撞一个放置在地面上且载荷分布不均匀的托盘，叉车分别在两处位置接触托盘垫脚：

1. 托盘承载平台下表面与地面中间点位置
2. 托盘垫脚和承载平台下表面之间的结合处

分析结果显示了接触区域的局部高应力和塑性应变分布，可能造成结构破坏。建议在此区域设置局部加强结构。

但是，分析结果没能预测出平台与垫脚之间发生分离的情况。

结束语

在托盘的整个设计流程中，结合运用虚拟优化技术，以及CAD技术，该优化设计周期大约在10到12周时间内完成。运用优化技术获得了一个质量更轻刚度更好的结构，为生产传统样件和物理试验验证大大地减少了开发成本和开发周期。