基于ANSYS下的壓力機(jī)剪刃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

涂秋艷， 黨繼輝， 溫瑞

（1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波315012；2.寧波凹凸重工有限公司，浙江寧波315012）

基于ANSYS下的壓力機(jī)剪刃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

涂秋艷1， 黨繼輝2， 溫瑞1

（1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波315012；2.寧波凹凸重工有限公司，浙江寧波315012）

運(yùn)用ANSYS分析軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，對(duì)壓力機(jī)剪刃結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化了剪刃結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。實(shí)踐表明，該方法有效地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。

優(yōu)化設(shè)計(jì)；壓力機(jī)；設(shè)計(jì)參數(shù)

0 引言

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析是把力學(xué)概念和優(yōu)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，使參與計(jì)算的量部分以變量出現(xiàn)，形成全部可能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案域，利用數(shù)學(xué)手段在域中找出滿足預(yù)定要求的不僅可行而且最好的結(jié)果。根據(jù)該設(shè)計(jì)方法，可以從比較多的設(shè)計(jì)結(jié)果中尋找出最優(yōu)的結(jié)果。最優(yōu)就是從可以滿足要求的方案中，找到比較合適的性態(tài)（如重量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等）最小。

文中以壓力機(jī)中的上下剪刃為例，利用ANSYS的優(yōu)化分析功能對(duì)其按照重量最輕的原則進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，方便快捷地得到了較好的優(yōu)化結(jié)果（重量最輕），實(shí)現(xiàn)了利用ANSYS的優(yōu)化分析功能進(jìn)行壓力機(jī)剪刃優(yōu)化設(shè)計(jì)的全過(guò)程。

1 ANSYS優(yōu)化分析的基本概念

優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為手段，根據(jù)設(shè)計(jì)所追求的性能目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

優(yōu)化模型可表示為：

式中，F(xiàn)（X）為X的函數(shù)，X為設(shè)計(jì)變量，gi（X）為狀態(tài)變量。優(yōu)化的過(guò)程就是通過(guò)改變X的數(shù)值來(lái)完成，對(duì)于每一個(gè)X都有上下約束限制，規(guī)定X中的每一個(gè)元素xk（k=1，…，N）的最大值、最小值，它定義了設(shè)計(jì)變量的變化范圍：

1）設(shè)計(jì)變量（DV）：設(shè)計(jì)過(guò)程中所要選擇描述結(jié)構(gòu)特性的量，可以是各個(gè)構(gòu)件的尺寸、面積、重量等幾何參數(shù)。

2）狀態(tài)變量（SV）：用以約束的變量值，一般有尺寸幾何約束及工作性態(tài)上的一些限制。

3）目標(biāo)函數(shù)：用來(lái)衡量設(shè)計(jì)好壞的指標(biāo)，通常與DV具有相對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。

4）設(shè)計(jì)序列：指的是特定的一個(gè)設(shè)計(jì)變量的數(shù)學(xué)集合。

5）分析文件：通常指一個(gè)完整的求解過(guò)程（前處理，求解，后處理）。

2 剪刃的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 問(wèn)題描述

本課題所要優(yōu)化的目標(biāo)剪刃長(zhǎng)為240 mm，剪刃內(nèi)半徑為157 mm，允許承受最大壓應(yīng)力為［σy］=572，材料為H13鋼，鋁棒材料的彈性模量E=210 GPa，泊松比ε= 0.35，密度為7.8×103kg/m3，剪刃的約束載荷主要為內(nèi)半圓環(huán)面的壓力70 MPa。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是對(duì)剪刃重量進(jìn)行優(yōu)化，使其重量減小并能承受最大壓應(yīng)力572 MPa。

圖1 壓力機(jī)剪刃工作示意圖

2.2 建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

把剪刃外徑設(shè)為設(shè)計(jì)變量，以外徑R1=180 mm，Smax= 572 MPa為設(shè)計(jì)初始值，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；本次以剪刃的外半徑R為設(shè)計(jì)變量：Rmin=160 mm，Rmax=220 mm；同時(shí)確定以最大等效壓應(yīng)力Smax為狀態(tài)變量，優(yōu)化的目標(biāo)為最小總體積VTOL。

根據(jù)上述條件，得到以下優(yōu)化設(shè)計(jì)模型：

圖2 有限元結(jié)構(gòu)圖

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了便于模型的分析與簡(jiǎn)化，假設(shè)剪刃的受力狀態(tài)是剪刃長(zhǎng)度方向的軸向應(yīng)力值為零，可以將目標(biāo)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的平面應(yīng)力問(wèn)題，因此分析時(shí)選擇Quad 4 node182單位進(jìn)行仿真分析。通過(guò)參數(shù)設(shè)置，設(shè)置外半徑R1=180 mm，內(nèi)半徑R2= 157 mm，密度DENS=7.8，厚度T=240 mm。

約束與載荷的設(shè)置：約束外圓環(huán)所有自由度，受力情況施加應(yīng)力對(duì)內(nèi)圓環(huán)P=70 MPa，剩下邊界添加對(duì)稱約束，模型加載圖如圖3。

圖3 有限元載荷圖

2.4 結(jié)果分析

優(yōu)化目標(biāo)是減小剪刃的重量，前提條件是模型能承受572 MPa最大壓應(yīng)力，經(jīng)過(guò)20次迭代，得最優(yōu)解（帶*號(hào)）為第9次迭代結(jié)果（如表1）。進(jìn)行ANSYS優(yōu)化分析時(shí)，當(dāng)尋優(yōu)迭代進(jìn)行到第9次時(shí)，剪刃重量取得最小值，其最優(yōu)設(shè)序列如表1所示（表中數(shù)值單位均采用國(guó)際單位）。

表1 最優(yōu)序列表

剪刃的重量、剪刃的外徑等參數(shù)隨尋優(yōu)迭代次數(shù)的變化情況如圖4～圖5所示。

圖4 設(shè)計(jì)變量（外徑）隨迭代次數(shù)變化圖

圖5 目標(biāo)函數(shù)WT隨優(yōu)化次數(shù)的變化規(guī)律

利用上述參數(shù)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行求解運(yùn)算，設(shè)計(jì)變量完成20次迭代運(yùn)算，求解最優(yōu)解，外徑最小時(shí)所承受的最大等效應(yīng)力為63.854 MPa，滿足572 MPa為限的約束要求。該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的剪刃重量從初始結(jié)構(gòu)的29 106 kg減小到9302.2 kg，剪刃外半徑由180減小了20 mm，即160.2 mm，優(yōu)化效果可見(jiàn)一斑。

3 結(jié)語(yǔ)

ANSYS軟件優(yōu)化求解模塊具有十分重要的作用，不僅可以為模具設(shè)計(jì)提供最優(yōu)化的設(shè)計(jì)尺寸，更可以有效提高生產(chǎn)效益，減少人力物力的投入，降低生產(chǎn)成本，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更為科學(xué)方便，也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些不足之處。目前，ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件已被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，為今后的精密高速剪切還將提供更多優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和經(jīng)濟(jì)效益。

應(yīng)用ANSYS優(yōu)化工具箱進(jìn)行建模、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題求解，不用編寫大量?jī)?yōu)化算法程序，不但提高了設(shè)計(jì)效率，而且能達(dá)到較高的設(shè)計(jì)精度，可以大大減少設(shè)計(jì)成本、縮短設(shè)計(jì)周期，從而使結(jié)構(gòu)更加科學(xué)、合理。

［1］ 任曉丹.基于VB機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2010（6）：1411-1412.

［2］ 黃海，湯升林，趙振華.最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.硅谷，2011（8）：149，146.

［3］ 夏學(xué)文，張俊彥，郭小剛，等.基于ANSYS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論［J］.煤礦機(jī)械，2011（3）：30-32.

［4］ 郭彥峰，辛成龍，許文才，等.蜂窩紙板結(jié)構(gòu)平壓性能有限元分析［J］.包裝工程，2009（1）：34-35.

（編輯啟 迪）

Optimal Design of the Press Blade Based on ANSYS

TU Qiuyan1,DANG Jihui2,WEN Rui1
（1.Zhejiang Business Technology Institute,Ningbo 315012,China;2.China Aotu Industry Co.,Ltd.,Ningbo 315012,China）

By utilizing ANSYS finite element analysis software as an analytical tool,the static properties of cutting edge structure for press were analyzed,and the structural optimization designs of the main parameter were improved according to the new design variables．Practice showed that the method could more efficiently implement the rapid design and innovation of the product structure.

optimal design;press;design parameter

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0188－02

涂秋艷（1978—），女，碩士學(xué)位，工程師，從事產(chǎn)品（模具）CAD/CAE/CAM方面科研與教學(xué)工作。

2014-05-05

浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y201329037）