基于ANSYS的壓濾機(jī)壓緊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

胡松等

摘 要：壓緊板是壓濾機(jī)上的重要部件，其傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法過于安全。本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)壓濾機(jī)壓緊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。對(duì)壓緊板進(jìn)行參數(shù)化建模，根據(jù)工況施加約束和載荷，得到壓緊板的應(yīng)力云圖。在保證安全的前提下對(duì)壓緊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。經(jīng)對(duì)比，壓緊板優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足工程要求，節(jié)省了大量工程材料。

關(guān)鍵詞：壓緊板；ANSYS；參數(shù)化建模；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

壓緊板是壓濾機(jī)上的重要組成部分，用以壓緊壓濾機(jī)的濾板濾框從而進(jìn)行固液分離。在壓緊板的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，過度依賴經(jīng)驗(yàn)公式，壓緊板的設(shè)計(jì)偏于安全，造成了壓緊板制造中的材料浪費(fèi)，增加了壓緊板成本。

本文以某廠研發(fā)的型號(hào)為1500的壓濾機(jī)壓緊板為例，運(yùn)用有限元理論及有限元分析軟件ANSYS對(duì)壓緊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，改進(jìn)壓緊板結(jié)構(gòu)。

1 ANSYS優(yōu)化分析的基本原理

ANSYS軟件提供了很多優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，最常用的主要有零階方法和一階方法。對(duì)于這兩種方法，ANSYS具有一系列的分析--評(píng)估--修正的循環(huán)過程，這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計(jì)要求滿足為止?；趨?shù)化有限元分析過程的設(shè)計(jì)優(yōu)化，首先要定義設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量及其取值范圍，然后定義目標(biāo)變量和選擇優(yōu)化算法，最后確定優(yōu)化次數(shù)后進(jìn)行計(jì)算[1]。

2 優(yōu)化內(nèi)容

本文主要研究的內(nèi)容是運(yùn)用APDL語言對(duì)壓緊板進(jìn)行參數(shù)化建模，對(duì)其所受載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)壓緊板進(jìn)行有限元靜力分析。通過運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊對(duì)壓緊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言。它是一種類似于PORTRAN的解釋性語言，提供一般程序語言的功能，另外還提供簡(jiǎn)單的界面定制功能，實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行程序等[2]。

3 壓緊板優(yōu)化模型

3.1 問題描述

壓濾機(jī)壓緊板的主要功能用以壓緊壓濾機(jī)的濾板濾框從而進(jìn)行固液分離。某廠1500型壓濾機(jī)壓緊板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

壓緊板設(shè)計(jì)要求如表1所示。

壓濾機(jī)工作時(shí)，壓緊板中心凸臺(tái)因受液壓缸的壓緊力作用，從而壓緊邊框和濾板。根據(jù)工況，壓緊板中心凸臺(tái)工作時(shí)受到10Mpa的壓緊力。

3.2 數(shù)學(xué)模型的建立

要使壓緊板的質(zhì)量最輕化，必須在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，構(gòu)建有限元模型，進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算，求得目標(biāo)函數(shù)極值，從而得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化模型可表示為：

式中，F(xiàn)（X）為目標(biāo)函數(shù)，是X的函數(shù)，X為設(shè)計(jì)變量，gi（X）為狀態(tài)變量[3]。

鑒于壓緊板的主要尺寸已經(jīng)確定，而壓緊板的底板厚度、肋板厚度沒有限定，而底板厚度、肋板厚度對(duì)于整體質(zhì)量影響很大，因此選為設(shè)計(jì)變量。

壓緊板的材料為Q235，其屈服極限為235Mpa。在壓緊板受壓過程中，其最大應(yīng)力值不應(yīng)該超過材料的屈服極限。因此，取壓緊板的最大應(yīng)力為約束條件，即狀態(tài)變量。

優(yōu)化的目的是壓緊板質(zhì)量最小，因?yàn)閴壕o板材質(zhì)均勻，所以質(zhì)量最小即是體積最小。因此確定壓緊板體積為目標(biāo)函數(shù)。

確定各變量的范圍，如表2所示。

4 壓緊板優(yōu)化過程

4.1 壓緊板參數(shù)化建模，網(wǎng)格劃分與求解

對(duì)設(shè)計(jì)變量底板厚度A預(yù)設(shè)初值80mm，對(duì)肋板1/2厚度B預(yù)設(shè)初值15mm后，即可運(yùn)用APDL語言對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模。壓緊板的材料為Q235，彈性模量為200Gpa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3，屈服極限為235Mpa。模型選用SOLID45單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，根據(jù)工況，壓緊板工作時(shí)底板周圍受到全約束，中心凸臺(tái)受到10Mpa的壓力。因此對(duì)模型加上邊界條件進(jìn)行求解。如圖2所示。

經(jīng)分析，壓緊板工作時(shí)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在肋板與中心凸臺(tái)的連接處，且最大應(yīng)力為143.3Mpa，小于材料的屈服極限235Mpa，且具有較大富余，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4.2 提取優(yōu)化變量與優(yōu)化計(jì)算

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前需提取狀態(tài)變量和建立優(yōu)化控制文件。本例以底板厚度A，肋板1/2厚度B為設(shè)計(jì)變量，以工作時(shí)的最大應(yīng)力SMAX為狀態(tài)變量，以各單元的體積總和TVOL為目標(biāo)函數(shù)，選用零階算法中的子問題法，設(shè)定迭代次數(shù)為7。ANSYS部分程序如下：

執(zhí)行優(yōu)化控制文件后，得到表3的迭代結(jié)果。其中注*的為最佳值，長(zhǎng)度單位為m，應(yīng)力單位為Mpa。

進(jìn)一步查看體積隨迭代次數(shù)變化的曲線，如圖3所示。

觀察到第六次迭代時(shí)體積最小，而第六次迭代的最大應(yīng)力超過屈服極限，故取第七次迭代結(jié)果為最優(yōu)值。因此得出壓緊板的最佳結(jié)構(gòu)為底板厚度A為0.0495m，肋板厚度B為0.0109m，最大應(yīng)力SMAX為218.6Mpa，總體積為0.179m3。其中優(yōu)化后壓緊板總體積由原來的0.24m3下降到0.179m3，減少了25.4%，這將大大降低生產(chǎn)過程中的材料消耗，降低成本，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

本文采用ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)壓濾機(jī)壓緊板結(jié)構(gòu)在滿足應(yīng)力約束條件下進(jìn)行體積最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最合理的尺寸形狀，優(yōu)化后壓緊板體積由原來的0.24m3下降到0.179m3，減少了25.4%，從而減少了產(chǎn)品的制造成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]丁兵，姜玲蓮，呂文閣，袁清珂.基于ANSYS的印刷機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 機(jī)電工程技術(shù).2009，38（10）：28-30.

[2]劉曉波，沈予洪.基于APDL語言的參數(shù)化建模技術(shù)[J].電腦學(xué)習(xí).2005，3：45-46.

[3]涂秋艷，黨繼輝，溫瑞.基于ANSYS下的壓力機(jī)剪刃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師.2014，5：188-190.

[4]邢靜忠.ANSYS應(yīng)用實(shí)例與分析[M].北京：科學(xué)出版社.2006.

[5]周長(zhǎng)城，胡仁喜，熊文波.ANSYS11.0基礎(chǔ)與典型范例[M].北京：電子工業(yè)出版社.2007.