斗輪堆取料機(jī)斗輪體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉振林

摘 要：近年來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)正在快速的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展，同時(shí)，工業(yè)的發(fā)展也對(duì)于經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步有著積極地反作用，而作為工業(yè)領(lǐng)域中的重要施工設(shè)備，斗輪堆取料機(jī)在實(shí)踐中的使用頻率是相當(dāng)高的，其功能和作用對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的效率有著不可小覷的重要影響，實(shí)踐中，要想增強(qiáng)斗輪堆取料機(jī)輪體機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性、降低使用中的風(fēng)險(xiǎn)，需要按照靜力學(xué)的研究方法來進(jìn)行探究，使用有限元分析軟件 ANSYS 的 APDL 語言設(shè)置了有限元仿真模型加以模擬，最后的結(jié)果顯示優(yōu)化后應(yīng)力分布適當(dāng)，最大應(yīng)力、應(yīng)變的數(shù)值都有所都減小，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目的，同時(shí)，其重量也有相應(yīng)的降低。這就顯示出主動(dòng)臺(tái)車架使共振的情況消失了，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全以及穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機(jī)；斗輪體；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前言：實(shí)踐中，作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要施工設(shè)備，斗輪堆取料機(jī)無疑是其中最為關(guān)鍵和重要的設(shè)施之一，它大范圍的在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，如港口、電力、煤炭、冶金等命脈行業(yè)，它作為一個(gè)體積較大的傳輸材料的設(shè)施，其工作的效率主要依靠于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)踐中，斗輪堆取料機(jī)是需要移動(dòng)的餓，這種可移動(dòng)的載體位于該機(jī)器的最下方，主要作用是支撐機(jī)器和機(jī)器的移動(dòng)，所以，移動(dòng)部位的安全和穩(wěn)定就顯得尤為重要，其對(duì)于整個(gè)機(jī)器的影響也至關(guān)重要。性對(duì)整臺(tái)機(jī)器的安全運(yùn)行是十分重要的。本文作者研究的主要目的在于優(yōu)化斗輪堆取料機(jī)斗輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為實(shí)踐中斗輪取料機(jī)的工作提供更加高效快捷以及安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

1概述斗輪取料機(jī)輪體結(jié)構(gòu)

1.1分析斗輪取料機(jī)輪體結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，斗輪堆取料機(jī)作為廣泛適用于工業(yè)領(lǐng)域的最重要設(shè)備之一，它憑借自身的功用，已然成為當(dāng)今世界規(guī)模最為龐大的工業(yè)原料處置的完整成套設(shè)施，由于火力發(fā)電廠、港口碼頭、鋼鐵和礦山等散料運(yùn)輸體系的快速進(jìn)步，斗輪堆取料機(jī)正朝著自動(dòng)化、系列化、大型化的角度發(fā)展，當(dāng)前，它已經(jīng)大量的在礦山、電力、建材以及化工等方面得到廣泛的使用。它主要包括輪機(jī)構(gòu)、前臂架、平衡機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、門座架和行走機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，在這些組成部分之中，斗輪機(jī)構(gòu)是該設(shè)備完成堆取料工作的主要部位，它處于前懸臂的最前方位置，其質(zhì)量對(duì)于機(jī)器的整體重量與平衡有著最重要的影響。所以，為了使斗輪體的的質(zhì)量能夠更輕，就必須要對(duì)該部位進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，這樣才可以使整機(jī)向著輕量化方向發(fā)展。而本文所討論的優(yōu)化設(shè)計(jì)即如何促進(jìn)產(chǎn)品朝輕量化方向發(fā)展的措施，而針對(duì)如何增加產(chǎn)品的功效和質(zhì)量，較少對(duì)于材料的耗費(fèi)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率都有不可小覷的重要意義和指導(dǎo)作用。在以往的斗輪堆取料機(jī)的設(shè)計(jì)中，大部分還要依附于設(shè)計(jì)工作者的經(jīng)驗(yàn)，沒有先進(jìn)理論的指導(dǎo)，使得設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性大打折扣。因此，在分析傳統(tǒng)斗輪堆取料機(jī)的基礎(chǔ)上，使用ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)以及APDL對(duì)斗輪堆取料機(jī)斗輪體加以有限元分析，并以有限元分析法作為基礎(chǔ)，用斗輪體的整體體積作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)斗輪體結(jié)構(gòu)尺寸加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期使斗輪體向輕量化方向發(fā)展。

1.2對(duì)APDL 的斗輪體進(jìn)行限元分析

在斗輪體的優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，第一必須要運(yùn)用APDL的參數(shù)功能構(gòu)建斗輪體的參數(shù)化有限元模型。因?yàn)槎份嗴w形狀多樣同時(shí)結(jié)構(gòu)較不固定的，對(duì)斗輪體的有限元的分析僅僅將斗輪體的整體受力狀況納入考慮之中，所以，為使斗輪體參數(shù)化模型順利構(gòu)建，必須對(duì)斗輪體的細(xì)節(jié)部分加以簡(jiǎn)化處置，也就是簡(jiǎn)化多種對(duì)斗輪體整體強(qiáng)度影響不大的特點(diǎn)。選擇斗輪體參數(shù)化建模的 DQL1、DQL3 和 DQL5這三種基本參數(shù)為本次有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量，在輸入初始值有關(guān)參數(shù)后，程序便形成建模。因?yàn)槎份嗴w是薄壁狀態(tài)，建模時(shí)可使用殼單元或?qū)嶓w單元，然而相對(duì)來說，使用殼單元加以結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠減少大量的計(jì)算，同時(shí)在計(jì)算彎矩時(shí)，實(shí)體單元在厚度問題上的單元層數(shù)很少，計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大的誤差，比不上殼單元的計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)，因此，在斗輪體建模過程中使用shell281 單元，同時(shí)定義殼體的厚度為 0.01米。之后，給斗輪體參數(shù)化模型的材料屬性下定義以完成斗輪體參數(shù)化模型的建立。

2探究斗輪體優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

優(yōu)化設(shè)計(jì)作為探究結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的手段，它的主要原理在于利用組建優(yōu)化模型，使用多項(xiàng)優(yōu)化措施，利用達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)條件下的迭代運(yùn)算，最后得出目標(biāo)函數(shù)的的最大最小數(shù)值，進(jìn)而獲取最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)從內(nèi)涵上來講是又分析到評(píng)估再到修正的系統(tǒng)，需要對(duì)多種設(shè)計(jì)序列加以有限元分析，并加以優(yōu)化參數(shù)的評(píng)價(jià)，不斷的趨近于最優(yōu)設(shè)計(jì)序列。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，使用優(yōu)化設(shè)計(jì)可以增加產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率以及質(zhì)量，確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)向合理化方向發(fā)展。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，常常使用到數(shù)學(xué)模型，這種模式大多數(shù)情況被歸結(jié)為在符合一定的約束條件下，選擇設(shè)計(jì)變量，使目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小或最大值。斗輪體優(yōu)化設(shè)計(jì)選取斗輪體參數(shù)化模型 DQL1、DQL3 和 DQL5 這三種大小的參數(shù)當(dāng)做設(shè)計(jì)變量。為了使斗輪體達(dá)到輕量化目標(biāo)，需要選擇斗輪體的總質(zhì)量當(dāng)做優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，然而因?yàn)槎份嗴w是由同樣的鋼材焊接形成的，其密度很均勻，所以在接下來的優(yōu)化設(shè)計(jì)中選擇斗輪體的總體積 VOLUM 作為目標(biāo)函數(shù)。不但如此，選取的斗輪體還應(yīng)該符合強(qiáng)度的要求。

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的選擇

在 APDL 的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)之上，一般有兩種方法，包括零階方法和一階方法。零階方法是優(yōu)化設(shè)計(jì)中使用頻率最高的方案，利用使用狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的的趨近，能有效的處置大部分工程問題。零階方法大致分為單步運(yùn)行法、隨機(jī)法和子問題法等；一階方法采用偏導(dǎo)數(shù)，也就是使用狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的一階偏導(dǎo)數(shù)的趨近，這種方案的精準(zhǔn)度是很高的，特別是在用于狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)改變較大，同時(shí)設(shè)計(jì)空間也相對(duì)較大的位置。斗輪體的優(yōu)化設(shè)計(jì)使用零階方法中的子問題法，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的整體評(píng)價(jià)。這種方案能夠被描述為不斷升級(jí)的零階方法，它能夠把因變量要及時(shí)狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)，利用最小二乘法擬合的趨近數(shù)值所代替，來限制最小化問題改變?yōu)椴捎昧P函數(shù)的無限制問題。

2.3優(yōu)化后主動(dòng)臺(tái)車架動(dòng)力學(xué)分析

斗輪堆取料機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，因?yàn)楹芏嗖淮_定的因素會(huì)促使主動(dòng)臺(tái)車架被一定的動(dòng)載荷所影響。如果其受到的動(dòng)載荷頻率和主動(dòng)臺(tái)車架的特定頻率數(shù)值相近的時(shí)候，就很容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，因此導(dǎo)致較高的動(dòng)應(yīng)力。共振可以引起啃軌、脫軌等高風(fēng)險(xiǎn)問題的出現(xiàn)，導(dǎo)致機(jī)器的強(qiáng)度遭到破壞、還可能出現(xiàn)較大程度的變形；其細(xì)節(jié)位置也很統(tǒng)一出現(xiàn)疲勞破壞。對(duì)整個(gè)機(jī)器的日常操作產(chǎn)生不利影響，也會(huì)減少機(jī)器的使用壽命，為了確保優(yōu)化后的主動(dòng)臺(tái)車架的安全性和穩(wěn)定性，確保機(jī)器有最大限度的使用壽命，就亟需對(duì)優(yōu)化后的主動(dòng)臺(tái)車架加以模態(tài)分析，目的在于測(cè)段其根本頻率，查詢分析產(chǎn)生共振的可能性，如果發(fā)現(xiàn)共振則必須對(duì)結(jié)構(gòu)加以完善。

3結(jié)語

為了對(duì)斗輪堆取料機(jī)斗輪體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)以及提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，本文運(yùn)用有限元分析法以及數(shù)學(xué)模型分析法等進(jìn)行有關(guān)研究，優(yōu)化了主動(dòng)臺(tái)車架應(yīng)力、減輕設(shè)備的整體質(zhì)量，對(duì)優(yōu)化后涉筆加以模態(tài)分析，以期為提高斗輪堆取料機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論貢獻(xiàn)。

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