基于有限元仿真的抽油機(jī)底座拓?fù)鋬?yōu)化研究

李秀娟，王德威，袁永麗

（大慶油田有限責(zé)任公司裝備制造研究院，黑龍江大慶 163313）

1 引言

拓?fù)鋬?yōu)化在機(jī)械行業(yè)的減輕重量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研發(fā)中作用日益重要。本文主要介紹怎樣在Hyper Works環(huán)境下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并以有限元理論和API 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以某廠在產(chǎn)抽油機(jī)主結(jié)構(gòu)件（以減速器筒體為例）為對(duì)象實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的優(yōu)化過程。

Hyper Works 是Altair 公司開發(fā)的成套工程軟件環(huán)境，其OptiStruct 模塊使用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行前導(dǎo)型仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，是專門為產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)和前導(dǎo)設(shè)計(jì)開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化工具，擁有快速、精確的線性有限元求解器。

在Hyper Works 仿真環(huán)境中，利用CATIA 建立三維模型，分別導(dǎo)入軟件中進(jìn)行劃分網(wǎng)格，進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析的作用是分析待優(yōu)化機(jī)械基礎(chǔ)參數(shù)，為下一步的有限元優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持與判斷依據(jù)［1］。完成約束條件下的模態(tài)分析，而后在其基礎(chǔ)上完成屈曲分析、拓?fù)鋬?yōu)化等過程。

2 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化基于一種拓?fù)鋽?shù)學(xué)方法［2］，將幾何體通過整合冗余空間結(jié)構(gòu)，生成更加合理的優(yōu)化形狀及材料分布。OptiStruct 運(yùn)算器提取上一步模態(tài)分析與受力分析而得的仿真結(jié)果，以減輕重量、節(jié)省材料、提高強(qiáng)度為設(shè)計(jì)目標(biāo)，所形成的運(yùn)算結(jié)果在三次連續(xù)迭代中的改變量低于給定公差時(shí)，即得到所分析系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

Hyper Works 所提供的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)能通過實(shí)體單元來定義設(shè)計(jì)空間，利用Homogenization（均勻化）和Density（密度）兩種方法來定義結(jié)構(gòu)的收斂方式。在得到拓?fù)鋬?yōu)化完成后的結(jié)構(gòu)，利用Ossmooth 工具，可以將拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果生成IGES 等格式的文件，再次導(dǎo)入到SolidWorks、Catia 軟件中進(jìn)行再次二維或三維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。

在Hyper Works的OptiStruct 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，可以使用多個(gè)條件函數(shù)（以輸入?yún)?shù)為自變量）來定義約束條件。概括起來，OptiStruct 完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程分為三步［3］：使用Hypermesh 創(chuàng)建適當(dāng)?shù)那蠼馄鬏斎胛募?。建立有限元分析模型，劃分網(wǎng)格；設(shè)置優(yōu)化相關(guān)條件，包括：定義設(shè)計(jì)空間、定義約束條件函數(shù)、定義優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)；定義OptiStruct的參數(shù)卡片。（2）運(yùn)行OptiStruct計(jì)算，利用Ossmooth工具得到定型的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果；（3）查看優(yōu)化結(jié)果，模型輸入二維、三維造型軟件反算尺寸，進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。

3 減速器筒體拓?fù)鋬?yōu)化步驟

減速器筒體作為抽油機(jī)底座關(guān)鍵支撐部件，受周期性交變載荷，其可靠性研究一直作為各抽油機(jī)廠家主要課題。

對(duì)于減速器筒體拓?fù)鋬?yōu)化首先規(guī)定可設(shè)計(jì)區(qū)域，設(shè)定拓?fù)鋬?yōu)化單元數(shù)：298621，拓?fù)鋬?yōu)化單元體積：4.0201E+07（mm3），拓?fù)鋬?yōu)化單元質(zhì)量：3.1759E-01（t），之后進(jìn)入拓?fù)鋬?yōu)化界面（如圖1、圖2 所示）。

圖1 HyperWorks 優(yōu)化模塊界面

圖2 指定響應(yīng)條件操作界面

設(shè)置其響應(yīng)條件、添加約束、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在其中設(shè)定其變形在20mm 之內(nèi)，以其提高屈曲分析得到載荷模態(tài)為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行仿真運(yùn)算得到如圖3、圖4 所示結(jié)果。

圖3 座體有限元分析結(jié)果云圖

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化后密度均化圖譜

通過對(duì)云圖和數(shù)據(jù)表的分析，在進(jìn)一步的仿真分析中，輸出優(yōu)化結(jié)果并建立新的幾何模型，二次進(jìn)行仿真分析，形成新的模型，其中兩種新模型如圖5、圖6 所示。

圖5 筒體改進(jìn)模型1

圖6 筒體改進(jìn)模型2

4 結(jié)論

（1）本文提供了一種對(duì)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化較為直觀便捷的實(shí)現(xiàn)方法。優(yōu)化了抽油機(jī)筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了強(qiáng)度。

（2）新的設(shè)計(jì)方案適用于抽油機(jī)主要的結(jié)構(gòu)。利用不同目標(biāo)函數(shù)的指定可以得到滿足設(shè)計(jì)要求的具體結(jié)果，如頂板厚度、筋板布置，開孔位置、減小工作振動(dòng)，為抽油機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供思路。

（3）通過靜載對(duì)筒體和支架動(dòng)力學(xué)性能做出一定的改善，具體的結(jié)果可以通過應(yīng)力貼片實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］蒲廣益.ANSYSWorkbench12 教程基礎(chǔ)教程與實(shí)例講解［M］.北京：中國水利水電出版社，2004：118-119.

［2］張勝蘭.基于Hyperworks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：170-173.

［3］張勝蘭.Hyperworks 分析應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：237-238.

［4］尚小江.ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2004：15-18.

［5］小颯工作室.最新經(jīng)典ANSYS 及ANSYSWorkbench 教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004：100-110.

［6］美國ANSYS 北京辦事處的基礎(chǔ)培訓(xùn)資料［Z］.2009.