基于ANSYS的經(jīng)編機(jī)墻板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 水，王敏其，黃龍振,王菡珠，高至愷， 湯重九，陳傳強(qiáng)

(1.五洋紡織機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213100) (2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

經(jīng)編機(jī)中墻板是負(fù)責(zé)支撐經(jīng)編機(jī)的部件，其工作穩(wěn)定性關(guān)系到經(jīng)編機(jī)運(yùn)行時(shí)是否平穩(wěn)。作用在墻板上的外載荷眾多，如梁架在上端面的固定載荷和軸孔中軸承載荷，工況較為復(fù)雜。

目前經(jīng)編機(jī)多屬于批量定制，其設(shè)計(jì)卻普遍采用借鑒老機(jī)型經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)的方法，導(dǎo)致新機(jī)型不僅笨重，而且性能無法評(píng)估，預(yù)定的效果難以實(shí)現(xiàn)，樣機(jī)試制設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，成本無法降低，因此需要引入新的設(shè)計(jì)方法。

當(dāng)前有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)中。如李學(xué)忠[1]結(jié)合有限元拓?fù)鋬?yōu)化研究了某重型商用車平衡軸支架輕量化設(shè)計(jì)；趙云亮等[2]對(duì)折臂式隨車起重機(jī)動(dòng)臂輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。在經(jīng)編機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有限元設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)屬于起步階段，朱志剛等[3]研究了經(jīng)編機(jī)牽拉裝置結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，建立了該機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)的仿真模型，得到了運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)鍵零件的等效應(yīng)力情況，優(yōu)化了不合理的設(shè)計(jì)；孫奎等[4]使用UG NASTRAN有限元軟件分析經(jīng)編機(jī)擺動(dòng)臂并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過改變擺動(dòng)臂主要設(shè)計(jì)參數(shù)，使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減輕了7.6%，從而有效提高了機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度；曹彥[5]、李欣[6]等學(xué)者均結(jié)合有限元軟件ANSYS對(duì)各自所研究的零件進(jìn)行優(yōu)化分析，并均達(dá)到預(yù)定輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。由此可見，借助有限元仿真等計(jì)算機(jī)輔助分析軟件,不僅可提高設(shè)計(jì)效率,而且可提高材料利用率,降低能耗，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，已經(jīng)成為當(dāng)下及未來進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。

本文以某高速經(jīng)編機(jī)的墻板為設(shè)計(jì)對(duì)象，在滿足設(shè)計(jì)要求和零件強(qiáng)度的前提下，以減輕墻板質(zhì)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用ANSYS創(chuàng)建墻體的有限元模型，針對(duì)其外殼厚度和筋板厚度這兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，為經(jīng)編機(jī)墻板的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 仿真優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

就產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段而言，本文的優(yōu)化屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化，在滿足產(chǎn)品性能的前提下采用尺寸、形狀和自由形狀優(yōu)化技術(shù)改進(jìn)結(jié)構(gòu),采用全因素分析的方法進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

使用有限元軟件進(jìn)行墻板優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到引起墻板結(jié)構(gòu)失效的相關(guān)載荷分布，從而確定校核墻板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度仿真方案并進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。靜態(tài)分析包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：1)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求；2)校核結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，并為動(dòng)力學(xué)分析等提供相應(yīng)數(shù)據(jù)；3)分析結(jié)構(gòu)在靜載荷下的結(jié)構(gòu)特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并為其他方面的分析提供資料。

2 結(jié)構(gòu)建模及仿真分析

2.1 有限元建模

選用某高速經(jīng)編機(jī)機(jī)型的分段外墻板進(jìn)行有限元分析，其模型圖如圖1所示。下端面為1 070mm×160mm，上端面為674mm×160mm，高度為524mm，外殼厚度為30mm，筋板厚度為25mm。墻板材料為Q235，質(zhì)量為235.1kg。

圖1 墻板模型圖

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)原經(jīng)編機(jī)墻板進(jìn)行有限元靜態(tài)分析。為了簡(jiǎn)化分析，不考慮其在裝配過程中與油箱連接的螺栓孔?？紤]到計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間的平衡，使用四面體網(wǎng)格劃分墻板模型，在存在軸孔的部位網(wǎng)格使用單元為5mm的細(xì)密網(wǎng)格，在其他部位網(wǎng)格使用單元為10mm的疏松網(wǎng)格。總共有91 298個(gè)節(jié)點(diǎn)，52 664個(gè)單元。墻板的材料選擇Q235，彈性模量為2.08E+11N/m2，泊松比為0.277，質(zhì)量密度為7 860kg/m3。根據(jù)其裝配后的正常工作情況，將墻板底面設(shè)置為固定約束。上端面施加壓力載荷，某高速經(jīng)編機(jī)的總質(zhì)量為5～6t，劃分到單個(gè)墻板支撐的總壓力大概為2×105N。軸孔處施加軸承載荷，大約為7 000N。

2.2 有限元分析

該墻板的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖2～圖4所示。最小等效應(yīng)變?yōu)?.562×10-9mm/mm，最大等效應(yīng)變?yōu)?.257×10-4mm/mm，最大總變形δmax為0.130mm，最大等效應(yīng)力σmax為41.57MPa，小于許用應(yīng)力值120MPa，有很大的安全裕量，因此結(jié)構(gòu)上有較大的輕量化優(yōu)化的空間，可使優(yōu)化后的零件既能滿足材料強(qiáng)度安全又能達(dá)到零件減重的目標(biāo)。本墻板的主要特征為外殼和筋板，因此選擇外殼厚度和筋板厚度作為優(yōu)化對(duì)象。

圖2 等效應(yīng)變?cè)茍D

圖3 優(yōu)化前的δmax變形云圖

圖4 優(yōu)化前的 σmax變形云圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

3.1 基于全因素試驗(yàn)選定優(yōu)化方案

由于該經(jīng)編機(jī)墻板結(jié)構(gòu)特征因素較少，因此選擇直觀的全因素試驗(yàn)方法，選取其外殼厚度(因素A)和筋板厚度(因素B)作為優(yōu)化因素進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，以最大位移δmax和最大應(yīng)力σmax為設(shè)計(jì)目標(biāo)。其試驗(yàn)因素水平表見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)因素水平表

對(duì)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單一因素下影響結(jié)果匯總處理，得到單一因素A和B對(duì)δmax和σmax的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3，單因素影響趨勢(shì)圖如圖5和圖6所示。表3中K1行δmax下A列的值為表2中因素A在其因素水平1下所有δmax的和，K2、K3、K4同理，k1、k2、k3、k4行各值為K1、K2、K3、K4所對(duì)應(yīng)值均值。如果因素A 對(duì)δmax沒有影響，那么在因素A的水平分別取為k1、k2、k3、k4時(shí)δmax值應(yīng)當(dāng)近似相等，但從表3中數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際上它們并不相等，說明因素A的水平變動(dòng)對(duì)δmax存在影響，其余同理。然后根據(jù)極差R的大小確定影響因素的主次。由表3中極差值可以很明顯地看出,無論是δmax還是σmax，因素A均為主要影響因素。雖然因素A在k4的水平下σmax最大，但已經(jīng)超過了材料許用極限應(yīng)力值120MPa，故予以舍棄，所以A因素下k3所在水平為優(yōu)選水平，即因素A殼厚選定為第3水平的數(shù)值20mm，因素B同理選擇。最終選擇的優(yōu)選方案為A3B4，即因素A外殼厚度20mm，因素B筋板厚度10mm。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表

3.2 驗(yàn)證優(yōu)化方案

優(yōu)化后的墻板經(jīng)有限元靜態(tài)分析后得到的云圖如圖7和圖8所示，其δmax和σmax數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。可以看出，優(yōu)化后的墻板依然滿足使用條件，其最大等效應(yīng)力為88.82MPa，小于Q235的許用接觸應(yīng)力120MPa。經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化后的墻板在保持外部尺寸不變且滿足使用要求的情況下，質(zhì)量減少了17%。

圖5 各因素水平對(duì)δmax均值的影響趨勢(shì)圖

圖8 優(yōu)化后的 σmax變形云圖

表4 優(yōu)化前后模型性能參數(shù)對(duì)比

本文在建模中簡(jiǎn)化了墻板底部的螺栓連接和部分圓角等因素，在等效應(yīng)力圖中可以明顯看出，應(yīng)力主要集中在其中的幾個(gè)尖角部位，由彈性力學(xué)可知尖角部位的應(yīng)力是無窮大的，但是在實(shí)際應(yīng)用中因存在圓角等因素，并不會(huì)存在上述應(yīng)力無窮大的情況?？傊煤?jiǎn)化過后的模型進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果是保守和偏于安全的。工廠根據(jù)優(yōu)化得到的外殼厚度和筋板厚度，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，效果良好，圖9為參數(shù)改良后實(shí)際裝配的墻板圖。

圖9 改良后裝配待用的實(shí)際墻板

4 結(jié)束語

經(jīng)編機(jī)墻板的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到整臺(tái)經(jīng)編機(jī)的作業(yè)性能。本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)經(jīng)編機(jī)的墻板進(jìn)行仿真分析優(yōu)化 ，不僅可檢驗(yàn)?zāi)壳敖Y(jié)構(gòu)是否符合作業(yè)的要求，也為日后經(jīng)編機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論的依據(jù)和基礎(chǔ)。