弛張篩面動(dòng)態(tài)特性數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化

武繼達(dá)，劉初升，王振乾，江海深，鄒夢麒，邱文強(qiáng)

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弛張篩面動(dòng)態(tài)特性數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化

武繼達(dá)1，劉初升1，王振乾1，江海深2，鄒夢麒1，邱文強(qiáng)1

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州，221116)

針對弛張篩篩面破損問題，考慮篩面的裝配形式和工況條件，建立實(shí)際安裝狀態(tài)下的篩面有限元分析模型，分析工作條件下篩面不同位置的變形及應(yīng)力分布；將響應(yīng)面法與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，以安裝半徑和彎折角度為設(shè)計(jì)變量，通過中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，構(gòu)建反映篩面設(shè)計(jì)參數(shù)與篩面應(yīng)力關(guān)系的二階響應(yīng)面近似模型，分析各設(shè)計(jì)變量對篩面工作應(yīng)力的影響規(guī)律；結(jié)合目標(biāo)規(guī)劃優(yōu)化方法和NSGA-Ⅱ遺傳算法對響應(yīng)面近似模型進(jìn)行尋優(yōu)，獲得篩面最佳幾何參數(shù)。研究結(jié)果表明：篩面剪切應(yīng)力主要分布在彎折區(qū)域中心部位；優(yōu)化后，當(dāng)彎折半徑為22.5 mm，彎折角度為150°時(shí)，篩面剪切應(yīng)力取得最小值，并較初始值降低12.6%。

篩面；數(shù)值模擬；試驗(yàn)設(shè)計(jì)；響應(yīng)面法；子模型；參數(shù)優(yōu)化

近年來，隨著煤炭產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整和大氣污染防治的需要，動(dòng)力煤的洗選比例不斷提高，洗選下限不斷降低[1?3]。弛張篩作為一種新型篩分設(shè)備，以其篩分效率高、不易堵塞、適用于細(xì)黏濕物料等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于潮濕細(xì)粒煤炭的深度干法篩分領(lǐng)域[4?6]。聚氨酯篩面是弛張篩的重要工作部件，篩面的可靠性對于弛張篩的工作連續(xù)性具有重要意義。由于弛張篩篩面工作時(shí)需反復(fù)承受高頻撓曲變形，受力復(fù)雜，故其壽命往往比一般振動(dòng)篩篩面的低。因此，有必要對聚氨酯篩面進(jìn)行分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)，在滿足工作要求的情況下，盡量降低其工作應(yīng)力，提高使用壽命。目前，針對弛張篩篩面的研究主要集中在篩面運(yùn)動(dòng)特性分析及工藝參數(shù)優(yōu)化，針對其工作條件下的力學(xué)分析較少。彭利平等[6]基于細(xì)長壓桿模型，通過理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了弛張篩面大撓度非線性變形特性；翟宏新等[7?8]系統(tǒng)地考慮弛張篩的結(jié)構(gòu)、工藝、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，提出以綜合評價(jià)指數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，提高了弛張篩的運(yùn)行效率；董海林等[10]從改變篩面約束的角度出發(fā)，提出了一種半圓式支撐橫梁結(jié)構(gòu)，以降低篩面的平均等效應(yīng)力；王新文等[11]基于有限元靜力學(xué)分析，對比了螺栓配合式和卡槽嵌入式2種固定方式對篩面應(yīng)力分布的影響。但上述研究僅針對平直篩面進(jìn)行仿真分析，未考慮到篩面的實(shí)際安裝特點(diǎn)，模型不能完全反映篩面的實(shí)際變形及受力情況。本文作者針對篩面安裝特點(diǎn)，改進(jìn)篩面有限元分析模型，對比分析篩面不同區(qū)域的運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合參數(shù)化建模和響應(yīng)面設(shè)計(jì)理論，建立篩面設(shè)計(jì)參數(shù)與性能參數(shù)之間的近似模型，并利用遺傳算法對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，以期降低篩面工作應(yīng)力，提高篩面使用壽命。

1 篩面有限元模型

1.1 篩面安裝特點(diǎn)及建模

由于弛張篩工作原理的特殊性，篩面運(yùn)動(dòng)形式與一般振動(dòng)篩有較大區(qū)別，借助于彈性篩面的弛張撓曲，弛張篩可以依靠較小的篩體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)較大的篩面振幅[12]。換言之，篩面與篩體運(yùn)動(dòng)并不一致，為防止被篩分物料沿篩面與篩體側(cè)面的間隙漏下，弛張篩篩面在與篩體側(cè)面接觸的部分往往以一定半徑向上彎折若干角度，如圖1所示。實(shí)際運(yùn)行表明，該設(shè)計(jì)對聚氨酯篩面工作性能以及工作壽命都有一定的影響。

1—聚氨酯篩面；2—篩面安裝梁；3—篩面彎折區(qū)域；4—篩體側(cè)板。

根據(jù)聚氨酯篩面實(shí)際尺寸，利用三維建模軟件Creo建立篩面模型，考慮到篩面的幾何對稱性，選取篩面實(shí)際外形的一半進(jìn)行建模，模型長×寬×高為880 mm×310 mm×4 mm，篩孔長×寬為13 mm× 13 mm，篩面兩側(cè)及與側(cè)板接觸部分各自留有寬度為40~50 mm的盲板。為更好地貼合實(shí)際，利用Creo“骨架折彎”功能模擬篩面與側(cè)板接觸部分的彎曲情況，折彎后的張弛篩篩面模型如圖2所示。為便于后續(xù)優(yōu)化，折彎的彎折角度和半徑均進(jìn)行參數(shù)化處理。初始彎折角度=120°，彎曲半徑=30 mm。建模完成后，利用與有限元分析軟件AWB DS(ANSYS workbench design simulation)的接口，將模型導(dǎo)入并進(jìn)行后續(xù)有限元分析。

圖2 弛張篩篩面三維模型

1.2 確定材料參數(shù)

弛張篩篩面采用聚氨酯彈性體材料制成，屬于不可壓縮的超彈性材料，其物理特征如下：在較小的應(yīng)力作用下可以產(chǎn)生較大的變形。對于這類材料，在大變形條件下，通常不定義彈性模量，而是利用本構(gòu)模型描述其應(yīng)力?應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。常用的超彈性體本構(gòu)模型主要有Mooney-Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Ogden模型、Yeoh模型、Peng-Landel模型等。本文采用兩自由度的Mooney-Rivlin模型模擬篩面材料，當(dāng)拉應(yīng)變不超過100%，壓應(yīng)變不超過30%時(shí)，此模型可以很好地描述超彈性體材料的力學(xué)性能。Mooney-Rivlin模型的兩參數(shù)表達(dá)式為

式中：為應(yīng)變能密度；10和01均為材料常數(shù)；1和2分別為一階和二階應(yīng)變不變量，是主拉伸比的函數(shù)，且滿足如下關(guān)系：

為確定Mooney-Rivlin模型的材料常數(shù)，通?？刹捎糜捕戎笜?biāo)經(jīng)驗(yàn)公式[13]計(jì)算，聚氨酯篩面彈性模量與邵氏硬度的關(guān)系可近似表示為

利用硬度計(jì)測量實(shí)際聚氨酯篩面硬度，多次測量后取平均值，得到聚氨酯篩面邵氏硬度=88.6，代入式(3)得聚氨酯材料彈性模量為18.09 MPa。參考文獻(xiàn)[9]中的方法，令=2(10+01)，且≈3，01=0.2510，則可以分別計(jì)算出仿真所需Mooney-Rivlin模型的材料常數(shù)10=2.412 MPa，01=0.603 MPa。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

基于參數(shù)化的三維模型和本文1.2節(jié)中計(jì)算所得的材料本構(gòu)模型參數(shù)，利用ANSYS Workbench建立篩面有限元分析模型，采用掃略法劃分網(wǎng)格，共劃分134 905個(gè)單元，250 297個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

工作過程中，弛張篩篩面載荷可分為物料自重引起的均布載荷和被拋擲物料對篩面產(chǎn)生的沖擊載荷。本文參考文獻(xiàn)[14]和[15]中的處理方式，將篩面載荷等效于施加于篩面表面的正壓力。單片篩面承受的正壓力為

為模擬實(shí)際工作過程中的工況，在篩面兩端分別施加水平方向的正弦位移激勵(lì)1和2，定義主篩體與浮動(dòng)篩框振幅均為6 mm，并考慮到篩面松弛安裝，最終位移激勵(lì)形式為

式中：為工作時(shí)間。

約束其他方向上的自由度，為便于計(jì)算收斂，開啟慣性釋放，將位移激勵(lì)分為100個(gè)子步施加。

圖3 弛張篩篩面的有限元模型網(wǎng)格劃分

2 篩面的變形和應(yīng)力結(jié)果分析

2.1 篩面整體變形分析

對篩面模型進(jìn)行有限元計(jì)算，獲得篩面模型的最大變形時(shí)刻的變形云圖，如圖4所示。由圖4可以看出：在篩面兩端施加6 mm的位移激勵(lì)后，篩面產(chǎn)生明顯的撓曲變形。中點(diǎn)區(qū)域最大變形量為38.824 mm，且撓曲程度由中間向兩側(cè)逐漸遞減。與此同時(shí)，篩孔尺寸發(fā)生變化，平行于位移方向上的篩孔受到擠壓彎曲，彎曲變形量在孔的中心達(dá)到最大值；在垂直于位移的方向上篩孔被拉長。這種周期性的變形有利于破壞細(xì)粒物料的黏附，實(shí)現(xiàn)篩面的自清理，保護(hù)篩面的通透性。

圖4 篩面的變形云圖

篩面撓度是衡量弛張篩工作能力的重要指標(biāo)之一。根據(jù)文獻(xiàn)[15?17]中的篩面變形公式，篩面中點(diǎn)撓度的理論計(jì)算公式為

式中：為篩面中點(diǎn)撓度；為篩面參與運(yùn)動(dòng)的長度；為固定梁與浮動(dòng)梁橫梁間距。

將篩面有限元模型的幾何參數(shù)代入式(5)，得到篩面中點(diǎn)最大撓度的理論值為max=36.986 mm。

結(jié)合圖4中的仿真結(jié)果可知篩面中點(diǎn)最大撓度理論值與仿真值的相對誤差為4.7%，小于5%，說明有限元模型簡化合理，網(wǎng)格劃分的精度滿足計(jì)算要求，邊界條件設(shè)置符合篩面實(shí)際工況，最終變形計(jì)算結(jié)果是可信的。

式(5)僅計(jì)算了篩面中點(diǎn)的最大撓度，而由圖4可以看出：篩面實(shí)際工作條件中各個(gè)位置撓度并不完全一致。為此，利用單元路徑映射功能，分別提取篩面1?2，1?2和1?2這3處位置的撓度，其中1?2處為篩面彎折的圓弧中點(diǎn)，1?2和1?2在距離上關(guān)于1?2對稱，映射路徑具體位置如圖5所示。篩面不同位置的撓度?位置曲線如圖6所示。從圖6可以看出：篩面撓度關(guān)于篩面幾何中心線呈對稱分布，篩面彎折部分1?2處的撓度明顯小于平直部分1?2和1?2處的撓度，其最大撓度為1.7 mm，僅為篩面中點(diǎn)最大撓度的4.37%，而遠(yuǎn)離彎折部位的區(qū)域1?2處的撓度與平直部分1?2的撓度相近，兩者最大差值為2.37 mm。由此可見，篩面各部分撓度差異導(dǎo)致的相對錯(cuò)動(dòng)是彎折部位產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的重要因素。

2.2 篩面應(yīng)力分析

基于2.1節(jié)中的有限元計(jì)算結(jié)果，繪制最大應(yīng)力狀態(tài)下篩面的剪切應(yīng)力分布云圖，如圖7所示。從圖7可以看出：篩面彎折區(qū)域?qū)儆诟呒羟袘?yīng)力分布區(qū)，最大剪切應(yīng)力為202.65 kPa，遠(yuǎn)高于平直段部分的剪切應(yīng)力，同時(shí)篩孔邊緣等效應(yīng)力較大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也與篩面現(xiàn)場實(shí)際破壞情況一致，說明有限元應(yīng)力分析結(jié)果較可信。

圖5 篩面的路徑映射位置示意圖

1—A1?A2；2—B1?B2；3—C1?C2。

圖7 篩面剪切應(yīng)力分布云圖

由于高剪切應(yīng)力區(qū)域主要位于彎折區(qū)域的中心部位，為更全面地描述篩面總體的應(yīng)力分布，同樣利用單元路徑映射，繪制1?2，1?2，1?2這3處的最大等效應(yīng)力?位置曲線，如圖8所示。從圖8可以看出：由于篩面幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件的對稱性，沿篩面寬度方向，各處等效應(yīng)力曲線均關(guān)于篩面幾何中線呈對稱分布；應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，1?2和1?2這2處的等效應(yīng)力曲線均存在較大幅度的局部波動(dòng)，這主要是由于篩孔的存在使得篩面局部剛度呈現(xiàn)不連續(xù)性，而1?2處于盲板處，因而應(yīng)力幅值變化較小。在篩面中部，彎折區(qū)域的1?2應(yīng)力水平比其他部分的高，因而更易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展到其他位置。圖9所示為實(shí)際生產(chǎn)中篩面破壞位置。由圖9可知：模擬結(jié)果與篩面實(shí)際位置相吻合，可見模擬結(jié)果具有較高的可信性。

1—B1?B2；2—A1?A2；3—C1?C2。

圖9 篩面實(shí)際破壞位置

3 響應(yīng)面模型的建立

為進(jìn)一步降低聚氨酯篩面工作應(yīng)力，延長其使用壽命，現(xiàn)利用Creo與ANSYS Workbench聯(lián)合仿真的方法對篩面彎曲半徑和彎折角度進(jìn)行優(yōu)化。由于篩面變形呈現(xiàn)非線性特點(diǎn)，單純循環(huán)利用有限元軟件尋優(yōu)計(jì)算耗時(shí)長，且具有不確定性，因此選擇基于“試驗(yàn)設(shè)計(jì)?代理模型?全局優(yōu)化”的混合優(yōu)化策略搜索最優(yōu)解，即通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE, design of experiment)方法進(jìn)行合理抽樣，用最少的設(shè)計(jì)點(diǎn)盡可能全面地反映模型特征；運(yùn)用近似模型方法，建立設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式；最后利用自適應(yīng)模擬退火、遺傳算法、Pointer 算法等全局優(yōu)化算法在近似模型上進(jìn)行全局優(yōu)化。優(yōu)化流程如圖10所示。

圖10 優(yōu)化流程

3.1 響應(yīng)面法和子模型法

響應(yīng)面法(RSM, response surface methodology)是常用的近似模型方法，其計(jì)算精度與高精度模型相近，但計(jì)算量小、計(jì)算周期短，且能夠過濾數(shù)值計(jì)算噪音，易于尋優(yōu)，適宜于結(jié)構(gòu)的非線性設(shè)計(jì)[18?19]。

選取篩面安裝時(shí)的彎折半徑和彎折角度為設(shè)計(jì)變量，并表示為矩陣形式[1，2]T，以篩面最大剪切應(yīng)力1(1，2)和最大等效應(yīng)力2(1，2)為優(yōu)化目標(biāo)。

由于高應(yīng)力區(qū)主要分布在篩面彎折區(qū)域，為降低有限元模型計(jì)算量，減少計(jì)算時(shí)間，本文在AWB(ANSYS workbench)計(jì)算流程的基礎(chǔ)上，采用子模型分析方法[20?22]，即在整體模型的基礎(chǔ)上，通過邊界條件傳遞，僅選取彎折部分作為子模型，進(jìn)行細(xì)化計(jì)算。通過模型縮減，篩面子模型經(jīng)過細(xì)化后劃分網(wǎng)格69 906個(gè)，節(jié)點(diǎn)128 549個(gè)，分別較原模型降低51.8%和51.36%，網(wǎng)格畸變度由0.39降低至0.23，可見子模型方法在提高網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)減少了有限元分析計(jì) 算量。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

考慮到試驗(yàn)精度和計(jì)算成本，本文選擇適用于二次多項(xiàng)式響應(yīng)面模型采樣的中心點(diǎn)復(fù)合設(shè)計(jì)(central composite design, CCD)方式[23?24]進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，彎曲半徑1取值范圍為20 mm≤1≤40 mm，彎曲角度2取值范圍為90°≤2≤150°，總試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)可以表示為

=0+2y+2y(6)

式中：0為中心點(diǎn)重復(fù)次數(shù)，本文取0=3；y為試驗(yàn)因素?cái)?shù)，y=2。

通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共生成11組設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)生成的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用AWB 軟件DX模塊調(diào)用Creo軟件，重構(gòu)篩面模型，并按照設(shè)定的分析流程自動(dòng)進(jìn)行有限元分析，得到各組設(shè)計(jì)點(diǎn)所對應(yīng)的最大等效應(yīng)力1和最大剪切應(yīng)力2，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)獲得的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用全二次多項(xiàng)式法標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)面(standard response surface-full 2-nd order polynomials)生成1(1，2)和2(1，2)關(guān)于彎折半徑1和彎折角度2的響應(yīng)面，分別如圖11~12所示。

3.3 響應(yīng)面模型檢驗(yàn)與分析

得到響應(yīng)面近似模型后，為了保證擬合模型的準(zhǔn)確性，需要對模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)，為此利用方差檢驗(yàn)分析(ANOVA)[25]檢驗(yàn)方程顯著性，結(jié)果如表2所示。

表1 不同設(shè)計(jì)參數(shù)所得結(jié)果

(a) 設(shè)計(jì)點(diǎn)?最大剪切應(yīng)力三維趨勢圖；(b) 設(shè)計(jì)點(diǎn)?最大剪切應(yīng)力等值線圖

(a) 設(shè)計(jì)點(diǎn)?最大等效應(yīng)力三維趨勢圖；(b) 設(shè)計(jì)點(diǎn)?最大等效應(yīng)力等值線圖

表2 方差檢驗(yàn)分析結(jié)果

由表2可知：最大剪切應(yīng)力響應(yīng)面模型1的大于其檢驗(yàn)臨界值(顯著性水平為0.05)，顯著性檢驗(yàn)指標(biāo)＜0.05；最大等效應(yīng)力響應(yīng)面模型2的大于其檢驗(yàn)臨界值(顯著性水平為0.01)，顯著性檢驗(yàn)指標(biāo)＜0.01，2組響應(yīng)面模型的不可靠概率分別小于5%和1%，說明其與真實(shí)有限元計(jì)算模型的逼近程度高，能夠較好地滿足預(yù)測精度要求。不同模型的殘差正態(tài)分布概率如圖13所示。由圖13可知：試驗(yàn)值的殘差正態(tài)概率分布均位于直線附近，說明響應(yīng)面模型能夠較好地預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果。

為了得到適應(yīng)于實(shí)際工程的優(yōu)化結(jié)果，需要通過響應(yīng)分析來判斷設(shè)計(jì)變量的改變所引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化趨勢，以便對選取的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正。以設(shè)計(jì)點(diǎn) (25 mm，120°)為例，基于所建立的響應(yīng)面模型可以繪制出局部變化曲線，如圖14所示。從圖14可以看出：當(dāng)彎折安裝半徑1一定時(shí)，隨著彎折角度2增大，聚氨酯篩面最大等效應(yīng)力降低而最大剪切應(yīng)力先增大后減?。环粗?，當(dāng)彎折角度2固定，隨著彎折半徑1增大，最大等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均先增大后減小。

(a) 模型1殘差正態(tài)概率分布；(b) 模型2殘差正態(tài)概率分布

(a) 最大等效應(yīng)力隨彎折半徑的變化；(b) 最大等效應(yīng)力隨彎折角度的變化； (c) 最大剪切應(yīng)力隨彎折半徑的變化；(d) 最大剪切應(yīng)力隨彎折角度的變化

4 遺傳算法優(yōu)化

基于多目標(biāo)規(guī)劃方法[26?28]，定義最大剪切應(yīng)力1(1，2)為優(yōu)先優(yōu)化目標(biāo)，最大等效應(yīng)力2(1，2)轉(zhuǎn)化為約束，規(guī)定優(yōu)化過程中2(1，2)不大于初始值。NSGA-Ⅱ遺傳算法的參數(shù)設(shè)置如表3所示。同時(shí)為獲得較優(yōu)的初始種群，利用轉(zhuǎn)移哈默斯利抽樣技術(shù)(SHSM，shifted hammersley sampling method)，抽取均勻分布于設(shè)計(jì)空間中的樣本點(diǎn)，并對其進(jìn)行權(quán)衡排序，以避免算法過早收斂。優(yōu)化過程中設(shè)計(jì)點(diǎn)?優(yōu)化目標(biāo)迭代曲線如圖15所示。由圖15可知：初始狀態(tài)下1(1，2)和2(1，2)均出現(xiàn)較大幅度振蕩，隨著迭代次數(shù)增加，最終1(1，2)和2(1，2)迭代曲線趨于穩(wěn)定。應(yīng)力優(yōu)化前后對比如表4所示。

(a) 最大剪切應(yīng)力迭代曲線；(b) 最大等效應(yīng)力迭代曲線

表3 NSGA-Ⅱ遺傳算法參數(shù)設(shè)置

表4 應(yīng)力優(yōu)化前后對比

由表4可以看出：優(yōu)化后篩面彎折區(qū)域剪切應(yīng)力較優(yōu)化前降低12.6%，優(yōu)化效果明顯。篩孔邊緣最大等效應(yīng)力比優(yōu)化前的略有減小，滿足設(shè)計(jì)要求。

為了驗(yàn)證響應(yīng)面模型優(yōu)化結(jié)果的正確性，將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)變量的最終取值代入有限元模型，計(jì)算得到篩面剪切應(yīng)力云圖，如圖16所示。由圖16可知：篩面最大剪切應(yīng)力為179.28 kPa，而表4中響應(yīng)面法應(yīng)力優(yōu)化結(jié)果為177.18 kPa，二者相對誤差僅為1.17%，可見響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果是可信的。優(yōu)化后的篩面平直段最大撓度為38.211 mm，相較于優(yōu)化前的38.824 mm僅降低1.58%，對篩面篩分能力基本無影響。

圖16 優(yōu)化后的篩面剪切應(yīng)力分布

5 結(jié)論

1) 建立實(shí)際安裝狀態(tài)下的弛張篩篩面參數(shù)化模型，基于有限元數(shù)值模擬，獲得篩面整體的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)；通過與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了有限元分析流程的正確性。

2) 沿寬度方向，篩面各處等效應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，其中篩面彎折區(qū)域?qū)儆诟呒羟袘?yīng)力分布區(qū)，與實(shí)際破壞位置情況相吻合；篩孔的存在導(dǎo)致應(yīng)力幅值出現(xiàn)波動(dòng)，其邊緣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3) 構(gòu)建篩面優(yōu)化的響應(yīng)面模型，并獲得了篩面安裝最優(yōu)幾何參數(shù)；優(yōu)化后，篩面最大剪切應(yīng)力降低了12.6%，篩面的抗剪切破損能力提高。

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Numerical simulation of dynamic characteristics and parameter optimization of flip-flow screen surface

WU Jida1, LIU Chusheng1, WANG Zhenqian1, JIANG Haishen2, ZOU Mengqi1, QIU Wenqiang1

(1. School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Aiming to solve the problem about the damage of the screen mat of flip-flow screen, finite element analysis model of screen surface was established with consideration of the assembly form and working conditions of the screen surface. The distributions of deformation and stress at different positions on the screen surface under working conditions were analyzed. By combining the response surface method with the optimization technique and taking the installation radius and bending angle as the design variables, the second-order response surface approximate model reflecting the installation parameters and the stress of the screen surface was established through the design of the central composite test. The influence rule of the design variables on working stress of screen mat was analyzed. The response surface approximation model was optimized by combining the objective programming optimization method and NSGA-Ⅱgenetic algorithm, and the optimal geometric installation parameter was obtained. The results show that the shearing stress of screen surface is mainly distributed in the center of bending area. Through optimization, the minimal shearing stress is obtained when bending radius is 22.5 mm and the bending angle is 150°, 12.6% lower than the initial value.

screen surface; numerical simulation; experiment design; response surface method; sub-model; parameter optimization

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.009

TH122

A

1672?7207(2019)02?0311?10

2018?03?11；

2018?05?11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51775544，U1508210)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20180650)(Projects(51775544, U1508210) supported by the National Natural Science Foundation of China;Projects(BK20180650) supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province)

劉初升，博士，教授，從事選煤機(jī)械設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究；E-mail：liuchusheng@126.com

(編輯 伍錦花)