基于ANSYSWorkbench的蒸壓磚機(jī)下橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣淮同，李 明，李 亮，陸寶春

(1.江蘇騰宇機(jī)械制造有限公司，江蘇宿遷 223812)(2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

大型粉煤灰蒸壓磚機(jī)是一種將砂子、粉煤灰、礦渣、水泥等原料壓制成型的多功能壓力機(jī)械，它可以通過(guò)更換不同模具生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)磚、空心磚、盲孔磚等各種建筑和生活用磚，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣的綜合利用，廣泛應(yīng)用于新型建材行業(yè)。

蒸壓磚機(jī)主機(jī)由上下橫梁、立柱、上下活動(dòng)梁等組成，上下壓頭對(duì)模框中的粉料進(jìn)行雙向加壓成型。其中蒸壓磚機(jī)下橫梁(下稱(chēng)“下橫梁”)作為重要部件，不僅承受整機(jī)的質(zhì)量，其內(nèi)腔還作為下油缸，受力情況復(fù)雜。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用材料力學(xué)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，為了保證可靠性，設(shè)計(jì)人員不得不加大安全系數(shù)，這就必然導(dǎo)致下橫梁笨重且增加成本［1］;再者，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不能全面反映下橫梁的應(yīng)力狀態(tài)，比如局部的應(yīng)力集中，而這恰恰是導(dǎo)致下橫梁易被破壞的重要原因［2］?，F(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形，成為復(fù)雜零件強(qiáng)度和剛度分析的有力工具。

ANSYSWorkbench是一款大型通用有限元分析軟件，它可以直接建立與CAD系統(tǒng)的雙向參數(shù)互動(dòng)關(guān)系，避免了APDL建模的繁瑣操作，擁有豐富的材料庫(kù)、單元庫(kù)及求解器，在合理的邊界條件下可以獲得問(wèn)題的精確解［3］。本文采用 ANSYS Workbench對(duì)下橫梁進(jìn)行有限元分析，得到下橫梁的應(yīng)力、變形圖，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

1 下橫梁結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

蒸壓磚機(jī)下橫梁采用鑄鋼ZG270－500鑄造成型，在進(jìn)行有限元分析前，需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，忽略吊耳、鑄造圓角、螺紋孔等結(jié)構(gòu)［4］，簡(jiǎn)化后的下橫梁模型如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化的下橫梁模型圖

1.2 模型參數(shù)化及網(wǎng)格劃分

為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，需要對(duì)下橫梁模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。在CAD軟件中建立下橫梁模型，并以“DS”開(kāi)頭重命名需要優(yōu)化的參數(shù)，使得模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中時(shí)優(yōu)化變量就可以被識(shí)別，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)雙向互動(dòng)［3］。

下橫梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用軟件自動(dòng)網(wǎng)格劃分，單元大小設(shè)為 0.06m，劃分的單元總數(shù)為33 681，節(jié)點(diǎn)數(shù)為57 280。ZG270－500具有良好的強(qiáng)度和韌性，其材料密度為7 720kg/m3，泊松比為 0.27，彈性模量為 215.00GPa，屈服強(qiáng)度為270.00MPa。

1.3 約束及載荷

下橫梁通過(guò)立柱、螺母與液壓機(jī)的活動(dòng)梁、上橫梁連接，液壓機(jī)工作時(shí)，下橫梁主要受油壓力和立柱螺母的約束力。油壓力均勻分布在液壓油與下橫梁接觸的內(nèi)壁上，大小為31.50MPa，方向垂直于內(nèi)壁表面。在螺母與下橫梁接觸的環(huán)形面上施加6個(gè)自由度的全約束。

1.4 有限元分析結(jié)果

下橫梁的應(yīng)力云圖如圖2所示，其最大等效應(yīng)力位于螺母與下橫梁接觸的環(huán)形面上，大小為149.09MPa，由于接觸面較小，故此處等效應(yīng)力值較大，為應(yīng)力集中點(diǎn)。另外，下橫梁底面與側(cè)面過(guò)渡處、側(cè)面進(jìn)油孔處應(yīng)力值較高，但都低于110.00MPa。一般安全系數(shù)取 1.5，根據(jù) ZG270 －500的屈服強(qiáng)度，許用應(yīng)力［σ］=180.00MPa。因此，該梁的強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)。

圖2 下橫梁應(yīng)力云圖

下橫梁的變形云圖如圖3所示，其最大變形位于下橫梁底面，大小為0.221mm，且由中心至兩側(cè)變形逐漸減小。根據(jù)蒸壓磚自動(dòng)液壓機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JC/T 2034－2010，下橫梁允許撓度不大于0.150mm/m。由立柱間距可知，下橫梁允許的最大變形為［δ］=0.300mm。因此，該梁的變形在安全范圍內(nèi)。

從有限元分析結(jié)果可以看出，下橫梁的應(yīng)力分布不均勻，材料的力學(xué)性能沒(méi)有充分發(fā)揮，可以對(duì)低應(yīng)力區(qū)域進(jìn)一步優(yōu)化，從而節(jié)約材料、降低成本。

圖3 下橫梁變形云圖

2 下橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 靈敏度分析

在選取設(shè)計(jì)變量之前首先要進(jìn)行靈敏度分析，靈敏度是指系統(tǒng)輸入的參數(shù)對(duì)于輸出結(jié)果的影響程度［5］。在ANSYSWorkbench中對(duì)各變量相對(duì)于質(zhì)量的影響程度進(jìn)行靈敏度分析，剔除一些靈敏度相對(duì)微小的參數(shù)，減少計(jì)算量。靈敏度如圖4所示，從圖中可以看出，各變量都偏離零，說(shuō)明參數(shù)選取合適，不需要略去任何參數(shù)。

圖4 靈敏度圖

2.2 設(shè)計(jì)變量

一般選擇下橫梁各側(cè)板厚度、肋板厚度等參數(shù)作為下橫梁優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量［6］，選取的設(shè)計(jì)變量如圖5所示。

各變量的可行域見(jiàn)表1。

表1 下橫梁各設(shè)計(jì)變量的可行域

圖5 設(shè)計(jì)變量

2.3 狀態(tài)變量

一般以強(qiáng)度和剛度來(lái)評(píng)估下橫梁的性能，因此取下橫梁最大等效應(yīng)力和最大變形作為優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件，即:

2.4 目標(biāo)函數(shù)

本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)是以節(jié)省材料為目的，故指定下橫梁質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，即找到質(zhì)量m最小的設(shè)計(jì)方案。

2.5 優(yōu)化結(jié)果及分析

ANSYSWorkbench中的優(yōu)化算法有非線性二次規(guī)劃算法(NLPQL)、混合整形序列二次規(guī)劃法(MISQP)、遺傳算法(GA)等［7］。遺傳算法具有全局尋優(yōu)的能力，避免陷入局部最優(yōu)解。在Design Exploration模塊中采用中心組合設(shè)計(jì)法(CCD)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)1 100次迭代后得到的優(yōu)化曲線如圖6所示。

圖6 優(yōu)化曲線

求解得到3個(gè)推薦的設(shè)計(jì)點(diǎn)，并對(duì)這3個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行求解驗(yàn)證，得到的驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2。由于Candidate A的最大應(yīng)力大于許用值，故舍棄。本文是以質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，故選擇Candidate B作為最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工程情況圓整后，計(jì)算得到下橫梁的最大應(yīng)力值為 177.63MPa，變形為0.253mm，質(zhì)量為17 915kg。

表2 備選解及其驗(yàn)證

由表2可知，經(jīng)ANSYSWorkbench優(yōu)化后，下橫梁減重10.21%，其強(qiáng)度和剛度仍在安全范圍之內(nèi)，且應(yīng)力分布更加合理。根據(jù)該優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)的下橫梁已經(jīng)成功地應(yīng)用在1 300t粉煤灰蒸壓磚機(jī)上，如圖7所示，在實(shí)際使用過(guò)程中安全、可靠。

圖7 1 300t粉煤灰蒸壓磚機(jī)實(shí)物圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)蒸壓磚機(jī)下橫梁的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。得到的優(yōu)化結(jié)果是:在下橫梁減重10.21%的情況下，其強(qiáng)度和剛度仍在安全范圍之內(nèi)，且應(yīng)力分布更加合理，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)約材料、降低成本的目的。

［1］ 秦東晨，祁建中，鹿躍麗，等.Y32－500B四立柱液壓機(jī)下橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2001，23(2):246 －248.

［2］ 駱念武，申遠(yuǎn)，竺長(zhǎng)安，等.基于有限元分析的液壓機(jī)下橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.煤礦機(jī)械，2007，28(10):8 －11.

［3］ 凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYSWorkbench 13.0從入門(mén)到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012:1－3.

［4］ 李誠(chéng).基于Pro/E和ANSYSWorkbench的懸掛夾具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2013(9):107－109.

［5］ 張國(guó)鋒，王衛(wèi)榮.基于ANSYSWorkbench的吊座尺寸多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014(1):69 －73.

［6］ 劉星，陸寶春，田先春，等.基于遺傳算法的液壓機(jī)上梁交互式結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015(1):27 －31.

［7］ 曹文鋼，曾金越.液壓機(jī)上橫梁有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48(5):38－40.