煤槽側(cè)壁支撐桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

于在福,秦旭日,李 響,黃 琳,任柏青,趙 峰

(大連重工·起重集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院,遼寧 大連 116013)

自上世紀(jì) 60年代搗固裝煤車誕生以來,裝煤車煤箱的性能一直是研究的熱點(diǎn)。煤箱的性能好壞取決于兩個因素,一是煤槽壁鋼骨架性能;二是煤槽側(cè)壁支撐桁架性能。

本文從改善煤槽側(cè)壁支撐桁架性能的角度著手,運(yùn)用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方法,對煤槽側(cè)壁支撐桁架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,旨在找到重量輕、剛度好的新型結(jié)構(gòu)形式。

1 煤槽壁支撐桁架載荷與工況分析

煤槽側(cè)壁支撐桁架的結(jié)構(gòu)如圖 1所示,每側(cè)煤壁的桁架由 10個單獨(dú)的小支撐桁架組成。根據(jù)試驗和多年的設(shè)計經(jīng)驗總結(jié),搗固時為煤槽側(cè)壁最危險工況,此時煤槽側(cè)壁受到壓力自上而下呈梯形分布,頂部載荷為 0.025 MPa,底部載荷為0.038MPa。在 ANSYS中先對煤槽側(cè)壁和支撐桁架進(jìn)行整體有限元分析,施加梯度載荷在煤槽側(cè)壁上,底部視為固定端。位移計算結(jié)果見圖 2。

圖 1 煤槽側(cè)壁與支撐桁架裝配圖

圖 2 整體結(jié)構(gòu)位移圖 /mm

提取整體結(jié)構(gòu)有限元分析中煤槽壁與單個小支撐桁架間連接處的節(jié)點(diǎn)力,取平均值作為單個小支撐桁架有限元分析的外載荷,建立單個小支撐桁架有限元模型進(jìn)行分析。計算結(jié)果如圖 3所示,最大應(yīng)力為 46.4 MPa,最大位移為 2.1 mm。結(jié)構(gòu)的前 4階模態(tài)見表 1。

圖 3 原結(jié)構(gòu)方案強(qiáng)度剛度分析結(jié)果

a)原結(jié)構(gòu)方案應(yīng)力云圖/MPa (b)原結(jié)構(gòu)方案位移云圖/mm

表 1 原始結(jié)構(gòu)的前 4階模態(tài)分析結(jié)果

2 煤槽壁支撐桁架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想就是在一個給定的空間區(qū)域內(nèi),依據(jù)已知的負(fù)載或支撐等約束條件,尋找最優(yōu)的材料分布。從而使結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到最大或使輸出位移、應(yīng)力等達(dá)到規(guī)定要求[1]。

首先,在ANSYS中建立單個小支撐桁架優(yōu)化前的幾何模型。優(yōu)化前的幾何模型是設(shè)計者根據(jù)設(shè)計要求給定零件的待優(yōu)化區(qū)域和非優(yōu)化區(qū)域。建模時,不用考慮零件太詳細(xì)的結(jié)構(gòu),除了非優(yōu)化區(qū)域規(guī)定的幾何外形外,其他的支撐結(jié)構(gòu)的部位均可考慮為全封閉的平面或?qū)嶓w[2]。根據(jù)桁架的功能及裝配關(guān)系確定有限元模型中可以去除材料的部分,將這部分材料設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域,其余區(qū)域為非優(yōu)化區(qū)域,如圖 4所示。

圖 4 煤槽壁單個小支撐桁架優(yōu)化前模型

施加載荷和邊界條件,如圖 5所示。一般來說,拓?fù)鋬?yōu)化計算的結(jié)果對于載荷數(shù)值和分布的變化是十分敏感的,載荷值及分布的微小變化都可能導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果顯著的不同[3],所以在提取載荷時應(yīng)盡量符合實際受力情況。

圖 5 優(yōu)化前模型的載荷、位移約束

最后,以結(jié)構(gòu)剛度最大為目標(biāo),設(shè)定體積減少 85%作為優(yōu)化約束條件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)果如圖 6所示。

圖 6 煤槽壁單個小支撐桁架拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖 6中材料相對密度近于 0的區(qū)域表示優(yōu)化后該區(qū)域材料可以去除,材料相對密度近于 1的區(qū)域內(nèi)材料則可以在優(yōu)化后保留。

3 結(jié)構(gòu)模型

拓?fù)鋬?yōu)化得到的結(jié)果只是新結(jié)構(gòu)型式的一個雛形,即概念模型,不能直接導(dǎo)出應(yīng)用于生產(chǎn)實踐,必須經(jīng)由設(shè)計者對其進(jìn)行演繹才能產(chǎn)生出新的設(shè)計方案。

從概念模型到結(jié)構(gòu)模型的過程中要考慮零件的強(qiáng)度和剛度,即通過有限元計算分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度,不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)可變部分的尺寸,直到零件符合設(shè)計要求。這是一個從計算到調(diào)整、再從調(diào)整到計算反復(fù)迭代的過程。

由于煤槽側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)是由焊接的鋼結(jié)構(gòu)組成,所以將概念模型轉(zhuǎn)化為由工字鋼組成的鋼結(jié)構(gòu),如圖 7所示。

圖 7 煤槽壁單個小支撐桁架結(jié)構(gòu)模型

在ANSYS中對建立的結(jié)構(gòu)模型先進(jìn)行剛度校核分析,不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)可變尺寸直到剛度滿足要求后再進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計。多次調(diào)整后最終得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型有限元計算結(jié)果,如圖 8所示。

圖 8 新結(jié)構(gòu)方案位移應(yīng)力分析結(jié)果

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析,發(fā)現(xiàn)其變形減小,應(yīng)力水平降低,且應(yīng)力分布更為均勻。其前 4階模態(tài)見表 2。

表 2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的前 4階模態(tài)分析結(jié)果

4 優(yōu)化前后方案對比

將單個小支撐桁架優(yōu)化前后方案的各項性能列表對比,如表 3所示。

表 3 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)各項性能對比表

從表 3中可以看出,拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)不僅重量相比以前減少 583 kg,而且位移也減小了 0.3 mm。在重量減輕的同時提高了剛度性能,很好的實現(xiàn)了“重量輕、性能好”的設(shè)計目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文將拓?fù)鋬?yōu)化的方法應(yīng)用到煤槽壁支撐桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計中。由拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果提供的思路設(shè)計出了新結(jié)構(gòu)煤槽壁支撐桁架。經(jīng)過對比分析表明新結(jié)構(gòu)的重量比原結(jié)構(gòu)減少了 18.3%,剛度性能也得到提高,而且加工制造方便,很好的實現(xiàn)了“重量輕、性能好”的設(shè)計目標(biāo)。

通過此次對煤槽壁支撐桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可以看出,拓?fù)鋬?yōu)化方法是復(fù)雜零部件優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計中重要的輔助手段。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化方法尋找一定載荷下最優(yōu)的材料分布,可以幫助設(shè)計人員跳出常規(guī)的設(shè)計思路,得出性能優(yōu)越、造型新穎的設(shè)計方案。

但是拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果提供的只是一個材料分布趨勢圖,并不包含尺寸信息。要想成功的把概念模型轉(zhuǎn)化為可以為工程實際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)模型仍需要設(shè)計人員發(fā)揮自身的聰明才智。但不論怎樣在復(fù)雜零部件設(shè)計中引入拓?fù)鋬?yōu)化方法,確實為設(shè)計者的設(shè)計開辟了新思路,指明了新方向。

[1] 趙松年.現(xiàn)代設(shè)計方法 [M].北京:高等教育出版社,1996.

[2] 李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3] 陳敏志,張旭月.拓?fù)鋬?yōu)化研究方法綜述[J].山西建筑,2005,(21).