C80B侧墙吊具精益设计与拓扑优化研究

摘 要 ：利用UG三维CAD软件实体建模，结合精益设计理论，并深入应用拓扑优化技术，借助CAE分析软件Ansys Wb 静态结构分析模块， 本文提出了一种将梁式侧墙吊具实现轻量化、小型化的创新设计方法。该方法首先利用仿真分析技术，精确获取吊具模型内部的应力分布状态，随后针对应力分布不均区域进行针对性的拓扑优化，以去除冗余材料并增强关键结构。通过这一系列优化措施，使吊具主体结构设计合理，最终全面满足工艺要求、安全标准、成本控制目标。

关键词 ：侧墙吊具；精益设计；拓扑优化；轻量化；

1 前言

目前，我国铁路货车制造企业生产的主型货运列车以70 t级为主，80 t级为辅。作为80 t级主型产品，C80B型不锈钢专用运煤敞车（简称C80B）是为大秦线量身设计的重载列车，近年偶有批量订单，根据生产工艺平面规划，C80B 生产线仍在原70 t级通用敞车（简称C70）生产线上进行，然而该车型侧墙比C70 要高出600多毫米，再加上组装线高度有限，这导致C80B侧墙在整车组装时不能满足吊装作业条件，因此，需要将吊钩主体小型化、轻量化，大幅降低吊具的总高度，才能满足顺利过顶目标。

2 吊钩结构设计

侧墙是以吊挂方式来吊装作业，因此，此吊具属于吊挂式起重吊具，原70 t 级侧墙吊具为梁式吊具。

为了缩减吊具整体起吊高度，只能舍弃大梁，保留单吊钩，根据C80B侧墙中段结构布局特点，需对常规吊钩外型结构进行以下改进优化：

（1）侧墙两端属对称结构，其质心必落在侧墙的中心线上，根据此特点，将吊钩吊装位置设在侧墙上侧梁的的中心位置。

（2）考虑到侧墙中心位置有一根立柱与上侧梁相接，吊钩吊装时应避开立柱， 因此，在吊钩的中心处开设导向槽，优化成单钩双爪承力结构，双爪内侧用来卡靠 立柱，既可防止吊钩左右滑移，又可增加吊装作业的平稳性。

（3）为了增加吊具的平衡性，便于悬挂吊索具，吊钩正上方设置双吊点，即： 双吊耳结构，索具与吊耳之间用卸扣相连。

（4）考虑到装卡吊钩时需要手工翻转，因此吊索具应采用软吊带，而不能采用刚性大的钢丝绳。

（5）吊钩开口处应设置止挡，用于防止侧墙上侧梁脱钩。

（6）为了使侧墙在吊运过程中，侧墙不发生歪斜，要尽量确保吊钩吊耳孔中心与侧墙整体质心点在同一垂直线上。

3 三维模型预设计

根据以上吊具设计要点及吊具的载荷条件，粗略绘制出吊钩的初始模型，重量约11.3kg。

4、应力分析

将三维模型导入Ansys Wb软件系统， 对模型实体赋予相应材料、约束及载荷条件（1.8×104N），然后划分有限元网格，经过有限元分析求解，粗略计算得到吊钩应力云图（如图1），从图中可知吊钩所受最大应力在双爪内弯处： 高达201.5 Mpa，有了应力云图，可为下一步模型优化，实现精益设计提供依据。

5、材料的选择

为了消除吊具在设计中存在诸多不确定性，设计吊具要考虑安全系数n，根据LD48-93《起重机械吊具与索具安全规程》规定，取n=4，即吊具所用材料的屈服 强度必须大于4×201.5=806 Mpa，通过查询GB/T3077-2015《合金结构钢》材料标准，查到35CrMo的机械性能符合选择条件，其屈服强度σs=835 Mpa，冲击功Akv（J）

≥63，35CrMo属于合金结构钢，有较高的静态强度和疲劳强度，且冲击韧性较好，

同时也符合GB/T10051.1-2010《起重吊钩 第1部分：力学性能、起重量、应力及材料》锻造吊钩选材规定，是该吊具最理想的材料选择。

6、结构优化与拓扑优化

在初步优化吊钩结构的基础上，为了进一步减轻重量并提升结构效率，我们引入了拓扑优化技术，在保持整体性能的同时，通过去除不必要的材料来减轻重量并优化应力分布。

首先，我们根据初始应力云（图1）确定了需要优化的区域，主要集中在吊钩上平面低应力区以及双爪端部的低应力区，然后，在Ansys Wb中利用拓扑优化模块，对这些区域进行详细的拓扑优化分析，如对大面积低应力区镂空优化，将双爪的形状优化成端薄根厚的线性结构。如此，我们得到了一个更加合理的吊钩结构。

经过拓扑优化后的吊钩模型，其重量从11.3kg进一步减少到了8.5kg，实现了显著的轻量化效果，同时，通过分析优化后的应力云图（如图2所示），我们看到吊钩的应力分析更加均匀，双爪根部集中应力状态也得到显著改善，这表明拓扑优化不仅减轻了重量，还提升了吊钩的结构性能。最终得到吊具的效果图如图3所示。

7 、结语

本研究依托 UG NX平台，对C80B侧墙吊具进行精细的预设计与三维建模，并借助 Ansys Wb软件对模型进行静态有限元分析与拓扑优化探索。通过系统、严谨的科学方法，我们成功识别并改进了吊具的设计关键薄弱点，并针对性地进行了优化，最终实现了吊钩重量由11.3kg到8.5kg的显著减轻，这一成果不仅充分验证了精益设计理论在实际应用中的巨大潜力，本研究不仅为C80B侧墙吊具的设计提供了科学、高效的优化路径，更为同类产品的轻量化设计研发提供了有益的参考与借鉴。

参考文献

[1]  叶光成，雷红先，朱进华.底架吊具设计[J].中国科技博览，2014.

[2]  汪国荣，叶光成，金业全.一种运煤敞车侧墙专用吊具：201821249652.9[P].2019-04-12.