基于ANSYS Workbench的壓力表連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 雨

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

壓力儀表是測(cè)量和控制工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中液體、氣體壓力的主要儀表，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格低廉、測(cè)量精度高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，因此作為影響壓力儀表精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。目前大部分生產(chǎn)廠家主要憑借經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件之一連桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法確定連桿的各個(gè)尺寸是如何影響其整體性能的，具有一定的盲目性。本文利用ANSYS Workbench軟件建立物理模型，并通過(guò)其中的Design Explorer，采用目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)連桿尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高連桿的性能。

1 建立連桿的有限元模型并進(jìn)行靜應(yīng)力分析

1.1 建立連桿的三維模型

圖1為壓力儀表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中連桿的主要優(yōu)化參數(shù)為連桿中間部分的寬度與連桿的厚度。其中寬度初步定為2.5mm，厚度初步定為1mm。

圖1 壓力儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 有限元模型的建立

設(shè)置連桿的材料為不銹鋼，其彈性模量為1.93×1011Pa，泊松比為0.31。對(duì)其采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法，得到的有限元模型如圖2所示。

1.3 靜應(yīng)力分析

由于連桿在其正常的工作過(guò)程中主要承受橫向的拉力，而且兩個(gè)連接孔對(duì)稱分布，因此對(duì)其中一孔固定，對(duì)另一孔施加一個(gè)沿Y方向600N的拉力（見(jiàn)圖3）進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，并對(duì)應(yīng)力和總變形進(jìn)行求解。最大應(yīng)力求解結(jié)果見(jiàn)圖4，為512.85MPa，最大總變形見(jiàn)圖5，為0.021 895mm。

2 基于ANSYS Workbench的連桿尺寸參數(shù)優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)

連桿的主要參數(shù)如圖6所示，其中，P1為連桿中間部分的寬度，P2為連桿的厚度，P3為連桿的最大應(yīng)力，P4為連桿的最大應(yīng)變，P5為連桿的最大總變形。P1和P2為輸入?yún)?shù)，P1設(shè)置為1.5mm～3mm的連續(xù)變量，P2設(shè)置為0.5mm～1.5mm的連續(xù)變量；P3，P4，P5為輸出參數(shù)。P1與P2的組合分布如圖7所示，共有9種組合方案。進(jìn)行靜應(yīng)力分析后更新所有設(shè)計(jì)點(diǎn)（設(shè)計(jì)組合方案），得到如圖8所示的結(jié)果。圖9為連桿的最大總變形與設(shè)計(jì)方案之間的關(guān)系。

圖2 連桿的有限元模型

圖3 連桿的載荷分布圖

圖4 連桿的應(yīng)力分布云圖

圖5 連桿的總變形分布云圖

2.2 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)連桿進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，得到如圖10所示的響應(yīng)曲面。該響應(yīng)曲面是通過(guò)有限的設(shè)計(jì)點(diǎn)擬合成的，設(shè)置模型為3D顯示，其中X軸代表P1，Y軸代表P2，Z軸代表P5，從而直觀地得到了連桿的厚度與寬度對(duì)其總變形的影響。在其三維曲面上選取連桿總變形較低的點(diǎn)作為響應(yīng)點(diǎn)，然后將得到的響應(yīng)點(diǎn)作為優(yōu)化后的設(shè)計(jì)點(diǎn)，P1為2.485 5mm，P2為1.476 2mm。連桿的初始設(shè)計(jì)參數(shù)與優(yōu)化后設(shè)計(jì)參數(shù)如圖11所示，優(yōu)化后連桿的最大應(yīng)力見(jiàn)圖12，最大總變形見(jiàn)圖13。

圖6 連桿的主要參數(shù)

圖7 連桿參數(shù)P1與P2的組合分布

圖8 連桿參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果

圖9 連桿的設(shè)計(jì)方案與最大總變形的關(guān)系曲線

3 結(jié)果分析

從圖12與圖13可知，采用新的設(shè)計(jì)參數(shù)后，連桿的最大應(yīng)力為394.47MPa，最大總變形為0.014 659 mm，連桿的應(yīng)力分布以及整體變形分布較優(yōu)化前得到了極大的改進(jìn)。

圖10 連桿的設(shè)計(jì)參數(shù)P1和P2與其總變形P5的3D曲線關(guān)系

圖11 連桿的初始設(shè)計(jì)參數(shù)與優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖12 優(yōu)化后連桿的應(yīng)力分布云圖

圖13 優(yōu)化后連桿的總變形分布云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用ANSYS Workbench軟件對(duì)壓力表連桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立合適的模型，選取關(guān)鍵的參數(shù)，施加合理的載荷及約束，得到了尺寸參數(shù)對(duì)連桿性能的綜合影響，并得到了目標(biāo)點(diǎn)，為隨后的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench13.0從入門(mén)到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

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