基于ANSYS的環(huán)錘式破碎機殼體拓撲優(yōu)化設(shè)計

申軍偉

（山西機電職業(yè)技術(shù)學院，山西長治046011）

基于ANSYS的環(huán)錘式破碎機殼體拓撲優(yōu)化設(shè)計

申軍偉

（山西機電職業(yè)技術(shù)學院，山西長治046011）

通過對環(huán)錘式破碎機三維模型的構(gòu)建，計算了模型的碰撞載荷，利用ANSYS軟件對模型進行了有限元拓撲優(yōu)化，減輕了整機重量的同時也降低了成本，為產(chǎn)品進一步的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

環(huán)錘式破碎機；拓撲優(yōu)化；ANSYS

PCKW0809環(huán)錘式破碎機是一種通過環(huán)錘的高速旋轉(zhuǎn)對脆性塊狀物體進行破碎的物料粉碎機械，在煤礦開采過程中有著廣泛應(yīng)用。在該產(chǎn)品的設(shè)計過程中，產(chǎn)品殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是重要的一個方面，提高殼體的剛度和減輕殼體重量對產(chǎn)品的使用和制造均有重要的意義。

拓撲優(yōu)化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一種方法，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及剛度設(shè)計方面，拓撲優(yōu)化只需要設(shè)定材料特性、外載荷及優(yōu)化材料占比即可，相對普通的優(yōu)化方法具有很大優(yōu)勢，ANSYS軟件作為一款高端CAE分析軟件，提供的拓撲優(yōu)化功能可以方便的對相關(guān)產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計[1]，本文利用其拓撲優(yōu)化功能對PCKW0809環(huán)錘式破碎機殼體進行了優(yōu)化設(shè)計，提高殼體剛度的同時也減輕了重量。

1 殼體總成的三維建模

對環(huán)錘式破碎機的殼體總成進行優(yōu)化的前提是要創(chuàng)建三維虛擬模型，基于CREO軟件對殼體總成的各個零件進行建模并裝配，在此建模過程中，因為工藝或特征過度的目的，殼體零件上分布有一些對殼體整體剛度和強度影響不大的細小結(jié)構(gòu)，為減少計算機有限元優(yōu)化的計算量，對這些細小結(jié)構(gòu)進行適當刪減[2]，考慮殼體總成整體尺寸和撞擊板等特征的最終模型如圖1所示。

圖1 殼體的CAD模型

2 碰撞力載荷計算

根據(jù)PCKW0809環(huán)錘式破碎機的工作參數(shù)及工況條件，設(shè)定主軸的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速970 r/min，工作能力為60 t/h.設(shè)置原煤的密度為1.8 kg/cm3，工作時的最大進料尺寸為100 mm×80 mm×45 mm.為便于觀察粉碎過程，在模型上僅顯示一組花環(huán)錘，其他部分設(shè)置為隱藏模式[3]，完成約束和加載設(shè)置之后的動力學模型如下圖2所示。

圖2 主軸總成的動力學模型

在對主軸模型進行檢驗無誤之后，進行動力學仿真計算，得到塊狀原煤與環(huán)錘的碰撞力曲線，如圖3所示。

圖3 環(huán)錘工作過程的碰撞力曲線

由上圖結(jié)果曲線可知，在X軸水平方向上的碰撞力極值為F1=23 520 N，Y軸垂直方向上的碰撞力極值為F2=66 805 N.為保證極限強度，取Y軸方向碰撞力極值F=66 805 N進行優(yōu)化計算。

3 殼體的拓撲優(yōu)化

3.1 網(wǎng)格劃分

由于殼體主要由板材焊接組合而成，故而在進行有限元網(wǎng)格劃分時，采用shell單元進行網(wǎng)格劃分工作。由于殼體上還需安裝柵板調(diào)節(jié)部件，因而需要從殼體中去除此部分的安裝空間，方能作為殼體總成的優(yōu)化范圍。針對殼體結(jié)構(gòu)特點，設(shè)置殼體材料的彈性模量為3e11，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，采用shell93殼單元對殼體總成進行網(wǎng)格劃分，最終得到6 863個單元，如圖4所示。

圖4 殼體的有限元模型

3.2 優(yōu)化區(qū)域確定

破碎機殼體底座除承受機身自重之外，也承受著工作過程中的絕大部分動靜載荷，同時還有固定機身的作用，對強度的冗余要求較高，故而本次設(shè)計保持底座不變，選擇單元屬性為Brick 8 node 185.設(shè)有排塵通道的殼體半罩既需要承受一定的破碎沖擊力，有需要保證足夠的通道孔徑，因而將兩側(cè)殼體半罩設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，以便在滿足強度剛度要求的同時保證足夠大的排塵通道[4]。

3.3 約束與載荷

根據(jù)實際的工作情況，兩側(cè)殼體半罩與破碎機底座之間采用面面接觸方式進行固定連接，基面底座采用零位移固定約束。對于撞擊板固定軸的載荷分配，按照動力學計算結(jié)果，采用多載荷步的方式將X軸和Y軸的極限載荷加載到兩側(cè)撞擊板固定軸上[5]。并通過添加集中質(zhì)量的方式模擬主軸總成的質(zhì)量并加載到底座軸承。

3.4 拓撲優(yōu)化

完成載荷及約束設(shè)定之后，采用ANSYS軟件的拓撲優(yōu)化功能將整體剛度設(shè)置為優(yōu)化目標，迭代計算的收斂公差設(shè)置為0.001，在指定約束條件后進行求解計算，得到殼體節(jié)點偽密度圖如下圖5和圖6所示，在此基礎(chǔ)上通過tograph obj命令得到優(yōu)化目標函數(shù)與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖5 側(cè)視節(jié)點偽密度圖

圖6 俯視節(jié)點偽密度圖

圖7 目標函數(shù)收斂迭代曲線

由圖5和圖6可知殼體罩板中間及頂部的深灰色區(qū)域剛度足夠，因而可通過改變相應(yīng)部分的厚度來對整機重量進行優(yōu)化處理。而不帶排塵通道的另一側(cè)半罩的頂部部分區(qū)域及加強筋兩側(cè)深灰色區(qū)域也有足夠剛度，也可通過改變厚度或加強筋形式等途徑進行優(yōu)化處理。由圖7可知，在6次迭代計算之后，即完成了體積減少30%的拓撲優(yōu)化過程。

3.5 結(jié)果分析

優(yōu)化計算之后，殼體體積減少了30%，雖然殼體半罩部分節(jié)點極限應(yīng)力增加8.1%，變形也相應(yīng)增大5.6%，但結(jié)構(gòu)的整體變形值和應(yīng)力值均在殼體材料的允值范圍之內(nèi)（Q235A抗拉強度=375 MPa，設(shè)計最大變形0.5 mm），因而優(yōu)化結(jié)果滿足產(chǎn)品設(shè)計使用要求。

4 結(jié)束語

通過將CREO軟件中建立的環(huán)錘式破碎機模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，進行網(wǎng)格劃分并依據(jù)破碎機實際工作參數(shù)添加相應(yīng)的載荷與約束，考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點后，合理確定拓撲優(yōu)化區(qū)域，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)得到了改進，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛度的同時降低了產(chǎn)品重量，為殼體的輕量化設(shè)計提供參考[6]。

[1]楊國旗，虞彪.基于ANSYS WORKBENCH的發(fā)動機連桿有限元分析[J].裝備制造技術(shù)，2011（10）：23-25.

[2]魏鋒濤，宋俐，代媛.基于ANSYS Workbench的立式車床回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].制造技術(shù)與機床，2016（4）：79-84.

[3]李治多，王明強.多工況載荷下連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計研究[J].現(xiàn)代制造工程，2008（09）：70-73.

[4]劉巖，柏福，段國林.基于ADAMS的錘式破碎機參數(shù)化建模及應(yīng)用[J].機械工程師，2011（11）：44-45.

[5]李倫未，陸山.基于ANSYS的多輻板風扇盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)[J].航空動力學報，2011（26）：2245-2250.

[6]李俊.環(huán)錘式破碎機動力學研究及優(yōu)化設(shè)計[D].太原：太原理工大學，2013.

Topological Optimal Design of Annular Hammer Crusher Based on ANSYS

SHEN Jun-wei
（Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Changzhi Shanxi 046011，China）

Through the construction of the three-dimensional model of the ring hammer crusher，the impact load of the model is calculated.The finite element topology optimization of the model is carried out by using ANSYS software，which can reduce the weight of the whole machine and reduce the cost，which provides a reference for the further optimization design of the product.

annular hammer crusher；topological optimization；ANSYS

TD451

：A

：1672-545X（2017）01-0056-03

2016-10-07

申軍偉（1985-），男，河南林州人，助教，研究生，研究方向：機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。