基于ANSYS的EBH-360型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

關(guān)滿杰 馬星楠 張 凱 程 佳

（1.中國人民解放軍65667部隊 77分隊，遼寧 阜新 123000；2.北方重工集團(tuán)有限公司煤礦機(jī)械分公司，遼寧 沈陽 110141；3.北方重工設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110141）

0 引言

回轉(zhuǎn)臺是EBH-360型掘進(jìn)機(jī)的重要部件，它連接機(jī)架，支撐截割臂，實(shí)現(xiàn)截割頭的鉆進(jìn)掏槽、掃落煤巖、截割臂的升降、回轉(zhuǎn)等各項運(yùn)動，并承受來自截割頭的復(fù)雜多變的沖擊載荷[1]?；剞D(zhuǎn)臺的合理結(jié)構(gòu)決定掘進(jìn)機(jī)的工作性能及整機(jī)的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不足將造成截割性能的降低和疲勞斷裂。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計主要靠設(shè)計經(jīng)驗和經(jīng)驗公式來進(jìn)行，為了增大回轉(zhuǎn)臺的強(qiáng)度，安全系數(shù)的選擇往往偏大，造成制造材料的浪費(fèi)，因此很有必要對回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為生產(chǎn)廠家降低制造成本、提高利潤[2]。

優(yōu)化設(shè)計的方法很多種，如目標(biāo)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等，本文采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 回轉(zhuǎn)臺三維模型建立及有限元靜力分析

本文直接在ANSYS中建立回轉(zhuǎn)臺的三維模型，為有利于有限元分析，對其進(jìn)行合理簡化，將不必要的小孔、凸臺、沉孔、倒圓角等都去掉。選擇單元類型為Solid45單元，采用自由劃分，設(shè)置單元尺寸長度為40 mm并對易發(fā)生應(yīng)力集中的部位進(jìn)行細(xì)化，劃分網(wǎng)格[3]。本掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺為鑄造件，材料為鑄鋼ZG35CrMo，調(diào)質(zhì)處理后其屈服強(qiáng)度σs≥510MPa，選用安全系數(shù) n=1.5，計算可得許用安全應(yīng)力[σ]：

[σ]=σs/n=510/1.5=340 MPa （1）

圖1 回轉(zhuǎn)臺的位移應(yīng)力變化云圖1

圖2 回轉(zhuǎn)臺的位移應(yīng)力變化云圖2

只有保證回轉(zhuǎn)臺在極限工況下的最大應(yīng)力值均小于安全應(yīng)力，才能進(jìn)行安全。

本文根據(jù)工作實(shí)際情況確定回轉(zhuǎn)臺的兩個極限位置：1）截割臂處于水平位置，向右擺動；2）右側(cè)截割頭受力,截割臂處于垂直力最大位置；最終分析所得的結(jié)果如圖1、圖2。

由圖1可知，回轉(zhuǎn)臺的大部分都是37MPa，而且最大的應(yīng)力為167MPa。由圖2可知，回轉(zhuǎn)臺的大部分都是35MPa，而且最大的應(yīng)力為157MPa。

根據(jù)以上計算結(jié)果可以得到以下兩個結(jié)論：

1）通過計算的結(jié)果可以確定回轉(zhuǎn)臺的靜強(qiáng)度條件是充分滿足的，不會在回轉(zhuǎn)臺工作時發(fā)生過載。

2）其次，由于圖1、圖2中的低應(yīng)力區(qū)域過多，且應(yīng)力較大區(qū)域較少，并且最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于原材料的屈服強(qiáng)度，因此可以認(rèn)為原設(shè)計過于保守，造成材料浪費(fèi)，回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步改進(jìn)的必要。

2 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計及其分析

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化的密度云圖1

圖4 目標(biāo)函數(shù)歷程曲線

本文采用的是以線性靜力結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)的拓?fù)鋬?yōu)化，然后使用ANSYS為用戶缺省定義的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，即將柔量定義為目標(biāo)函數(shù)，體積作為約束條件。在明確優(yōu)化問題和定義了拓?fù)鋬?yōu)化函數(shù)之后，選擇優(yōu)化判據(jù)法(OC)作為求解方法。 在完成以上三個步驟以后，采用一次迭代命令，優(yōu)化迭代的收斂公差設(shè)定為0·0001，優(yōu)化迭代次數(shù)指定為20次。

在默認(rèn)情況下，ANSYS將繪出結(jié)構(gòu)受力變形情況，并使用9色等值線圖進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的繪制。為了使分析后的材料情況一目了然，選擇將等值線圖設(shè)置為雙色，并采用不顯示變形結(jié)果，迭代計算后的拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖如圖3。

ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果輸出為密度云圖，密度值為1的位置，對應(yīng)密度圖上的灰色區(qū)域(彩圖中為紅色)，表示進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時該處應(yīng)該布置結(jié)構(gòu)；密度值為0·001的位置，對應(yīng)密度圖上的黑色區(qū)域(彩圖中為藍(lán)色)，表示進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時該處不需布置結(jié)構(gòu)。以上是兩類極限情況，還有一些介于兩值之間的顏色區(qū)域，已進(jìn)行一些必要的處理，將其歸入到兩類中。根據(jù)密度云圖看出回轉(zhuǎn)臺后側(cè)部分區(qū)域基本不受力，可以將其部分體積去掉，以達(dá)到減少體積降低成本的作用。

由回轉(zhuǎn)臺拓?fù)鋬?yōu)化后的目標(biāo)函數(shù)歷程曲線圖可以看出，回轉(zhuǎn)臺在滿足技術(shù)要求的條件下，體積減少量為12%，最大變形量減少為45%，這有效的節(jié)省了回轉(zhuǎn)臺的材料，從而為生產(chǎn)廠家降低制造成本，創(chuàng)造更多的利潤。

3 結(jié)論

本文對極限載荷作用下的EBH-360型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，并根據(jù)計算結(jié)果校核了回轉(zhuǎn)臺的的靜強(qiáng)度，然后使用ANSYS中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊對回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為體積減少12%，變形量減少45%，這為后續(xù)回轉(zhuǎn)臺改進(jìn)結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料、降低成本提供有力的參考依據(jù)。

［1］黃日恒.懸臂式掘進(jìn)機(jī)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1996.

［2］程佳,毛君,關(guān)滿杰,等.EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺的有限元應(yīng)力分析[J].煤礦機(jī)械,2008,11:61-62.

［3］東方人華.ANSYS7.0入門與提高[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004,7.