基于Pro/Mechanica的振動(dòng)臺板優(yōu)化設(shè)計(jì)

湯樂軍　鄒永明　呂震宇

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司)

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基于Pro/Mechanica的振動(dòng)臺板優(yōu)化設(shè)計(jì)

湯樂軍鄒永明呂震宇

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司)

摘要以振動(dòng)放礦機(jī)的振動(dòng)臺板為例，以Pro/Mechanica軟件為有限元分析工具，通過靜力分析和全域敏感度分析，完成了振動(dòng)臺板鋼材耗用的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減少鋼材消耗、降低企業(yè)生產(chǎn)成本提供參考。

關(guān)鍵詞Pro/Mechanica靜力分析全域敏感度分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

振動(dòng)放礦機(jī)是一種替代重放礦和閘門放礦的裝置，安裝于溜井底部，在慣性激振器(激勵(lì)電機(jī))的作用下，通過振動(dòng)臺板，將溜井中的礦石輸送至礦車，具有結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)，是一種礦山放礦裝車的理想設(shè)備，已被國內(nèi)多數(shù)礦山采用。本研究以振動(dòng)放礦機(jī)的振動(dòng)臺板為例，在完成原始產(chǎn)品模型的Pro/E 建模、靜力分析、敏感度分析[1-2]等工作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品重量優(yōu)化，以期在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，減小鋼材消耗，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。振動(dòng)放礦機(jī)(圖1)通常由振動(dòng)臺板(圖2)、機(jī)架(圖3)等組成，臺板上按裝有慣性激振器，機(jī)架上安裝有彈性元件。振動(dòng)臺板為鋼板加焊接型鋼的結(jié)構(gòu)，臺面下方焊有安裝激振器的底座，慣性激振器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力。振動(dòng)臺板兩側(cè)板用角鋼焊牢，與機(jī)架上部周圍焊接的角鋼配合作用，作為安裝平面的1個(gè)約束，用于限制減振橡膠平移。彈性元件一般采用減振橡膠，安裝于振動(dòng)臺面與機(jī)架之間起貯能、減振的作用。機(jī)架是由型鋼焊接而成的金屬結(jié)構(gòu)件。

圖1　振動(dòng)放礦機(jī)

2振動(dòng)臺板靜力學(xué)分析

2.1產(chǎn)品材料參數(shù)

材料性能是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析必不可少的基本數(shù)據(jù)，由于振動(dòng)臺板均由金屬材料焊接制成，遵循2個(gè)假設(shè)，即均勻假設(shè)和各項(xiàng)同性假設(shè)。均勻假設(shè)認(rèn)為材料內(nèi)部所有的點(diǎn)均具有相同的彈性性質(zhì)；各項(xiàng)同性假設(shè)則認(rèn)為材料內(nèi)部任意點(diǎn)在各方向上具有相同的彈性性質(zhì)。本研究確定的材料相關(guān)參數(shù)見圖4。

圖2　振動(dòng)臺板

圖3　機(jī)　架

圖4　材料參數(shù)設(shè)置

2.2載荷設(shè)置

根據(jù)振動(dòng)放礦機(jī)的使用工況，確定振動(dòng)臺板的受力主要包括溜井礦石壓于振動(dòng)臺板產(chǎn)生的壓強(qiáng)(P)和激振器產(chǎn)生的額定激振力(F)，如圖5所示。

經(jīng)計(jì)算，得P=2.37 MPa，F(xiàn)=100 kN，據(jù)此設(shè)置

圖5　振動(dòng)臺板的受力情況

的礦石對振動(dòng)臺板的壓強(qiáng)(P)以及激振器產(chǎn)生的額定激振力(F)分別如圖6、圖7所示。

將重力加速度在x、y2個(gè)方向分別設(shè)置分量，合成的重力加速度G=9 800 mm/s2，其中：Gy=9 800 mm/s2×cos15°=9 466.07 mm/s2；Gx=9 800 mm/s2×sin15°=2 536.43 mm/s2，x、y2個(gè)方向的重力加速度分量設(shè)定如圖8所示。

2.3約束設(shè)置

根據(jù)實(shí)際工況，確定了振動(dòng)臺板背面的角鋼內(nèi)側(cè)為約束面，如圖9所示。

圖6　礦石對振動(dòng)臺板的壓強(qiáng)設(shè)置

圖7　額定激振力設(shè)置

圖8　重力加速度分量設(shè)置

圖9　振動(dòng)臺板的約束面設(shè)置

2.4靜力分析結(jié)果檢視

完成載荷、約束的相關(guān)設(shè)定后進(jìn)行了靜力分析，可知在壓強(qiáng)(P)的作用下，臺板上部兩端頂點(diǎn)出現(xiàn)了274.5 MPa的應(yīng)力，絕大部分的應(yīng)力在137 MPa以下；振動(dòng)臺板由于受到激振力的作用，中間激勵(lì)電機(jī)處出現(xiàn)了約1 mm的變形，而上部兩端頂點(diǎn)處出現(xiàn)了最大為2.8 mm的變形。對此，可在2個(gè)最大變形的位置焊接1個(gè)斜筋，可有效減小變形量和應(yīng)力。

3振動(dòng)臺板全域敏感度分析

3.1全域敏感度分析設(shè)置

在“類型(Type)”欄內(nèi)選中“全域敏感度分析(Global Sensitivity)”,并以上述靜力學(xué)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，在“分析(Analyses)”欄內(nèi)選中“Two_Static”，“變量(variable)”定義的3個(gè)尺寸分別為面板、橫筋板及豎筋板的厚度，具體設(shè)置見圖10。

3.2全域敏感度分析結(jié)果檢視

為縮短計(jì)算時(shí)間，在進(jìn)行敏感度分析時(shí)簡化了模型，去除了角鋼，以中間面代替體單元，約束、載荷保持不變，如圖11所示。

由各筋板厚度與臺板重量的關(guān)系曲線可知，各筋板及臺板厚度對臺板重量的影響處于線性狀態(tài)，各筋板及臺板厚度在拐點(diǎn)位置以后，增加各筋板及臺板厚度對減少臺板應(yīng)力的作用越來越小，為對臺板材料消耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可能。

圖10　全域敏感度分析設(shè)置

圖11　全域敏感度分析簡化模型設(shè)置

4振動(dòng)臺板最優(yōu)化分析

4.1振動(dòng)臺板最優(yōu)化分析設(shè)置

振動(dòng)臺板的最佳化分析的定義是以最大應(yīng)力(“mass_stress_vm”)為目標(biāo)，以臺板重量(原臺板重量3.25 t)為設(shè)計(jì)限制(目標(biāo)值小于2.5 t)，以各筋板厚度為優(yōu)化變量，如圖12所示。

圖12　最優(yōu)化分析設(shè)置

4.2振動(dòng)臺板最優(yōu)化分析結(jié)果檢視

在計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，通過圖表、云圖及最優(yōu)化變形動(dòng)畫，可發(fā)現(xiàn)每次Pro/Mechanica優(yōu)化過程，經(jīng)過約數(shù)小時(shí)的計(jì)算，完成了最優(yōu)化分析，在選擇了“留住最優(yōu)化形狀時(shí)”后，再次查閱臺板面板和筋板尺寸時(shí)，發(fā)現(xiàn)面板和縱筋板厚度變小，而橫筋板厚度變大(圖13)，符合常規(guī)設(shè)計(jì)思維和理論。

圖13　最優(yōu)化結(jié)果檢視(數(shù)值部分)

5結(jié)語

基于Pro/Mechanica軟件，對振動(dòng)放礦機(jī)的振動(dòng)臺板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但由于受到計(jì)算機(jī)性能的影響，本研究僅以筋板厚度為設(shè)計(jì)變量，以應(yīng)力分布為目標(biāo)，以重量為設(shè)計(jì)限制進(jìn)行了優(yōu)化分析。若在計(jì)算機(jī)硬件條件允許時(shí)，也可選擇其他設(shè)計(jì)變量(如筋板之間的開檔距離)、設(shè)計(jì)目標(biāo)(如變形量)、設(shè)計(jì)限制(如應(yīng)力分布)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，該臺板還可進(jìn)行模態(tài)分析，依據(jù)臺板的固有頻率，在確保振幅的條件下，充分利用臺板的共振頻率選擇轉(zhuǎn)速合適的慣性激振器(激勵(lì)電機(jī))，以減少功率消耗。

參考文獻(xiàn)

[1]萬啟超.結(jié)構(gòu)、熱、運(yùn)動(dòng)分析基礎(chǔ)與典型范例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]應(yīng)錦春.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

(收稿日期2015-10-19)

湯樂軍(1970—)，男，工程師，210041 江蘇省南京市西善橋。