換網(wǎng)器鏟刀的拓撲優(yōu)化設(shè)計

陽亞， 楊鐵牛， 盧冬冬， 陳丁， 杜華娜， 林浩良

（五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門529000）

0 引 言

在造粒機生產(chǎn)工藝中，雜質(zhì)過濾是必要環(huán)節(jié)，而過濾器是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要部分。其中過濾器的換網(wǎng)器則是安全快速地輔助過濾器換網(wǎng)的重要組成部分，換網(wǎng)器過濾器的鏟刀是其核心，去除濾網(wǎng)上的廢料和拆解舊濾網(wǎng)是成功換網(wǎng)的決定因素。隨著國內(nèi)智能制造技術(shù)的提高，對機械裝備輕量化的要求呼之欲出。在保證鏟刀的結(jié)構(gòu)強度的情況下，采用ANSYS Workbench軟件對鏟刀進行輕量化設(shè)計[1-3]。

在輕量化設(shè)計中，國內(nèi)外一般通過材料和結(jié)構(gòu)形狀進行輕量化。前者對成本并未產(chǎn)生顯著影響，因為多選擇結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化。結(jié)構(gòu)形狀的常用拓撲優(yōu)化方法一般分為三種：均勻化方法、變密度法及漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法[4-6]。ANSYS Workbench是基于變密度法進行拓撲優(yōu)化，由于其命令豐富、可以直接通過優(yōu)化前后仿真對比優(yōu)化效果等優(yōu)點，國內(nèi)外研究者也開始運用ANSYS Workbench進行拓撲優(yōu)化。

1 鏟刀工況分析

實驗平臺如圖1所示，由主軸轉(zhuǎn)動帶動鏟刀鏟網(wǎng)和鏟廢料，順網(wǎng)口方向為鏟料，反之鏟網(wǎng)，通過電磁鐵的吸附實現(xiàn)鏟料鏟網(wǎng)的進刀。

對鏟刀進行受力分析，將鏟刀的兩側(cè)視為平板間流體流動所受摩擦力F2沿A2面重心切線方向。主切削刃方向所受力展開視為平面鏟削力F1，沿A1面圓弧切線方向。F1、F2合成為支反力F3與M1。鏟刀受力分析如圖2、圖3所示。

2 測量鏟刀載荷

根據(jù)實際工況對原鏟刀載荷進行測量，布置F3與M1的測點，為優(yōu)化仿真邊界條件提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 測點布置

如圖4所示，根據(jù)鏟刀受力分析在鏟刀上布置兩個測點，分別測量鏟刀的F3與M1。將BF350-AA應(yīng)變片應(yīng)變放大電路接入數(shù)據(jù)采集卡，利用LabVIEW進行數(shù)據(jù)的存儲[7-8]。

圖1 實驗平臺圖

圖2 yoz平面的受力示意圖

圖3 xoy 平面鏟刀受力示意圖

圖4 應(yīng)變片位置示意圖

濾網(wǎng)更換過程中由于過濾材料不同，對鏟刀載荷隨之不同。由于企業(yè)實際生產(chǎn)中ABS產(chǎn)量大，且ABS材料鏟削難度大，故選用ABS材料進行實驗，ABS材料在熔融狀態(tài)下表現(xiàn)為非牛頓流體特性，對溫度和剪切速率具有較高的敏感性。ABS材料的鏟料載荷均大于PE、PP等其他材料，經(jīng)過Workbench Tansient Themal溫度瞬態(tài)仿真可知，當濾筒伸出時ABS材料在空氣（設(shè)置外界溫度為25 ℃恒溫對流，由于濾筒壁面被塑料包裹在內(nèi)，且導(dǎo)熱性好，廢料內(nèi)壁設(shè)置為230 ℃的熱源）中10 s內(nèi)的最大溫差不到10℃，如圖6所示。所以在換網(wǎng)過程中溫度視為不變。采用現(xiàn)有待回收的ABS廢料（采用JH-BZ-5A密度計標定其密度為1.016 g/cm3，水分為0.15%。溫度230 ℃時熔融指數(shù)為2.630 g/10 min）和0.9 mm厚×850 mm長濾網(wǎng)在造粒機雙柱濾筒式過濾器模頭上進行實驗。

圖5 貼應(yīng)變片效果圖

圖6 ABS材料溫度瞬態(tài)變化云圖

2.2 P4測點標定

標定實驗使用LabVIEW進行數(shù)據(jù)的采集和存儲[9-12]。由于測力點P4為非等截面，也非等強度梁，所以采用實驗標定法確定采集電壓與F3的線性關(guān)系。

如圖7所示，利用壓力計緩慢垂直壓刀具架最遠端，每次按壓至標定值時松開，反復(fù)3次取電壓信號波動的最大值的均值視為測量電位。利用Matlab進行數(shù)據(jù)分析擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。

壓力計壓力F與電位差ΔU的擬合方程為

圖7 壓力計標定圖

通過表1實驗數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果可知，其線性擬合最大相對誤差為2.740%，第6組實驗結(jié)果突變較大，為提升擬合精度，考慮將第6組實驗數(shù)據(jù)視為奇異值去除。

圖8 線性回歸第一次擬合圖

表1 標定實驗與擬合結(jié)果表

去除奇異值進行數(shù)據(jù)第二次擬合結(jié)果如圖9所示，擬合式為

由表2所示第二次擬合結(jié)果可知，最大相對誤差為1.198%，誤差均勻。最小誤差為0.286%，擬合精度比第一次擬合更高，滿足實驗要求。

2.3 轉(zhuǎn)矩測量原理

圖9 線性回歸第二次擬合圖

表2 標定實驗與第二次擬合結(jié)果表

根據(jù)材料力學(xué)[13]可知，在彈性變形區(qū)內(nèi)，實際轉(zhuǎn)矩與連接軸軸線±45°方向的應(yīng)變成線性關(guān)系。

2.4 實驗結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)通過LabVIEW采集存儲[14]，利用LabVIEW內(nèi)置濾波器Butterworth進行濾波，計算其電位差。每次采集取電動機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)段數(shù)據(jù)。每組電動機頻率采集5次，去掉最大值與最小值，取平均值。根據(jù)圖2、圖3列平衡方程受力可求F1與F2的值，以及F3、M3、F1、F2。根據(jù)圖10可知，當變頻器頻率f≥40 Hz時其載荷基本趨于不變，F(xiàn)1維持在2.32～2.38 N之間，F(xiàn)2維持在3.4～4.1 N之間。F1的最大載荷為2.21 N，F(xiàn)2的最大載荷為10.77 N。

圖10 頻率與力的趨勢圖

3 優(yōu)化分析

3.1 工況分析

通過受力分析可知，由于鏟料實驗中載荷穩(wěn)定，鏟削力較大，故只做滿足鏟料工況即可。實際生產(chǎn)中鏟刀不超過24 r/min，不需要進行模態(tài)優(yōu)化。由上述實驗結(jié)果可知，取F1的最大載荷為2.21 N，F(xiàn)2的最大載荷為10.77 N。根據(jù)國標GB221-79查詢材料參數(shù)可知鏟刀材料屬性，列出鏟刀參數(shù)及工況如表3所示。

3.2 前處理分析

添加45鋼的材料屬性后，將模型導(dǎo)入Workbench19.0中。首先將模型進行網(wǎng)格劃分，采用自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為3380，節(jié)點數(shù)為6548，網(wǎng)格質(zhì)量0.6以上，認為劃分滿足要求，如圖11所示。

根據(jù)實際工況，設(shè)置安全系數(shù)為2，則將載荷放大2倍后添加到鏟刀的A1、A2面；軸承接觸端施加固定約束，如圖12所示。

3.3 拓撲優(yōu)化

在Workbench的topologyoptimization模塊進行拓撲優(yōu)化，選擇優(yōu)化空間與非優(yōu)化區(qū)的幾何形狀。為保持鏟刀的不粘料特性和排料順暢，保留鏟削面的外形。旋刮機構(gòu)中鏟刀采用電磁鐵切換工位，扭簧復(fù)位，需要有較高的對稱性，所以保留兩側(cè)的部分，優(yōu)化區(qū)域示意圖如圖13所示。選擇優(yōu)化目標為去除50%的閾值進行優(yōu)化計算，最終得出優(yōu)化后的效果圖，如圖14所示。

表3 鏟刀參數(shù)表

圖11 網(wǎng)格效果圖

圖12 載荷施加圖

圖13 優(yōu)化區(qū)域示意圖

圖14 優(yōu)化網(wǎng)格圖

3.4 幾何重建

拓撲優(yōu)化后的網(wǎng)格文件，根據(jù)尺寸在SolidWorks中進行建模，根據(jù)對稱要求和中軸不可優(yōu)化原則，依據(jù)網(wǎng)格文件再建模，得出如圖15所示的新的鏟刀模型。

4 優(yōu)化結(jié)果

拓撲優(yōu)化后的結(jié)果導(dǎo)入Workbench中進行靜力結(jié)構(gòu)分析，通過位移云圖與應(yīng)力云圖對比可知：優(yōu)化后的鏟刀變形量與優(yōu)化前相差0.0156 μm，完全滿足使用要求；優(yōu)化前的應(yīng)力小于優(yōu)化后的應(yīng)力，基本也滿足使用要求。

優(yōu)化前后對比如表4所示，在剛度與強度滿足使用要求的條件下，鏟刀質(zhì)量減少了13.26%，達到了拓撲優(yōu)化的目的。

圖15 優(yōu)化模型圖

5 結(jié) 論

1）通過實驗測量出鏟刀的鏟削力與流體在鏟刀兩側(cè)的剪切力，得到了實際工況下的載荷規(guī)律：鏟削力隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大，流體在鏟刀兩側(cè)的剪切力則隨著轉(zhuǎn)速的上升而減小。

表4 優(yōu)化對照表

圖16 優(yōu)化后應(yīng)力云圖

圖17 優(yōu)化前應(yīng)力云圖

圖18 優(yōu)化后位移云圖

圖19 優(yōu)化前位移云圖

2）在Workbench中對鏟刀結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果以及使用工況對鏟刀進行二次建模，得出了新的鏟刀模型。

3）利用Workbench進行靜力結(jié)構(gòu)分析，對比優(yōu)化前后得出，在相同工況下，優(yōu)化后鏟刀的剛度和強度滿足要求的情況下質(zhì)量減少了13.26%，為企業(yè)批量化制造節(jié)約了成本。