基于ansys的支座結(jié)構優(yōu)化設計

張浩強

（河池學院物理與機電工程學院，廣西宜州　546300）

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基于ansys的支座結(jié)構優(yōu)化設計

張浩強

（河池學院物理與機電工程學院，廣西宜州546300）

摘要：建立了支座優(yōu)化分析的數(shù)學模型，選用solid92單元進行網(wǎng)格劃分，對支座筒體內(nèi)孔的下半部分施加15E6Pa的壓力。選擇支座筒體外徑為設計變量，支座位移和為狀態(tài)變量，并設置最小值為0.35mm，支座體積為目標函數(shù)。采用零階方法進行優(yōu)化計算，得到滿足許用應力和位移和的最小筒體外徑。

關鍵詞：支座；圓筒；結(jié)構優(yōu)化

結(jié)構優(yōu)化設計是一種確定結(jié)構最優(yōu)設計方案的技術。所謂“最優(yōu)設計”指的是一種方案可以滿足所有的設計要求，而且所需支出的重量、體積、應力等達到最小值[1]。本文所優(yōu)化設計的支座由筒體、肋板、底板組成，主要用來支撐軸。支座受力時，各部分的應力和位移是不同的，尤其是筒體的變形較大。優(yōu)化時，筒時內(nèi)徑值是固定不變的，只能將筒體的外徑設為自變量，進行優(yōu)化。

2　支座有限元模型的建立

先建立支座的底板，并挖掉4個螺栓孔，再建立支座的肋板，最后建立支座的筒體，筒體的外徑用參數(shù)r1代替，r1=80mm。建模時一定要注意，筒體中心線以上半部分一定要高于帶圓弧的肋板。如果低于或等于，優(yōu)化時筒體外徑變大，將為使面號改變，優(yōu)化時，位移施加的面，載荷施加的面都會變，最后導致優(yōu)化失敗，建好后的模型如圖1所示。

2　支座網(wǎng)絡劃分

支座采用鑄鐵材料，彈性模量E=1.7×105N/mm2，泊松比μ=0.3，劃分網(wǎng)格時，設置單元尺寸為15mm，采用適合模擬不規(guī)則形狀結(jié)構的solid92單元。劃分網(wǎng)格后的模型如圖2。

3　施加載荷并求解

對支座的底面施加z方向的位移約束，對支座的4個內(nèi)孔施加x、y方向的位移約束。對支座筒體內(nèi)孔的下半部分施加15e6Pa的壓力。最后得到支座的位移和如圖3所示，最大位移為0.045435mm，分別在筒體的頂部和筒的前后部分的左下和右下。支座的vonmises等效應力為75.83 e6Pa，小于許用應力［σ］=150e6Pa，由于筒

體的外徑要增大，所以von mises應力還會減小，所以優(yōu)化計算時，不用把von mises應力做為狀態(tài)變量。

4　對計算結(jié)果進行優(yōu)化

設計變量為圓筒內(nèi)徑，85≤r1≤140；狀態(tài)變量為位移和，dsum≤0.035；目標函數(shù)為總體積TVOL，選擇零階優(yōu)化方法，因為零階方法只用到因變量而不用偏導數(shù)運算速度較快。并指定優(yōu)化迭代的最大次數(shù)為30次，迭代后因滿足收斂條件而退出，共獲得6組數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)果見表1，（*）表示ansys指定最優(yōu)組數(shù)據(jù)。

5　優(yōu)化后的結(jié)果分析

優(yōu)化后圓筒外徑尺寸為95.529mm，比初始值r1=80m m，增加了15.529mm，位移和從0.045435mm降低到了0.034859mm，小于0.035的最大許可位移值。從圖4可以看出優(yōu)化后的最大vonmises等效應力值為0.591E8Pa，小于許用應力［σ］=150e6Pa。運用ansys進行優(yōu)化設計，能找出滿足設計要求的最小參數(shù)值，大大減少了產(chǎn)品設計成本和周期，計算結(jié)果完全可以滿足工程設計需要。

參考文獻

［1］張朝暉.ANSYS12.0分析工程應用實例解析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010，（1）：509－510.

［2］楊軍.基于ANSYS的軸承座的模態(tài)分析［J］.機械工程與自動化，2011，（4）：56－57.

［3］王學文.ANSYS優(yōu)化設計若干問題探討［J］.塑性工程學報，2007，14 （6）：182－184.

Optimum Design for the Structure of Support based on ANSYS

ZHANG Hao-qiang
（Department of Physics and Electronics Engineering，Hechi University，Yizhou，Guangxi 546300，China）

Abstract:The mathematical model of optimization analysis of a support was established，solid92 unit was selected to divide the net，pressure of 15E6Pa was applied to inner hole of the lower part of the barrel of support.The out diameter of support's cylinder was selected as design variables，the sum of displacement of the support was defined as state variables and set its minimum value at 0.35mm，the volume of support was defined as objective function.optimization calculation was made based on zero-order method and worked out the outer diameter of barrel that satisfied the allowable stress and minimized the sum of displacement.

Key words:support；cylinder；structure optimization

作者簡介：張浩強（1985-），男，湖南益陽人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：研究方向:有限元分析。

基金項目：河池學院2016教育教學改革課題，編號：2016EA009

收稿日期：2016-01-16

中圖分類號：TB657.5

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0060-01