基于ANSYS軟件的工程機(jī)械輪胎后充氣裝置機(jī)架的輕量化研究

廖桂松，沈中華，曹衛(wèi)華，叢靜波，3

（1.桂林技師學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004；3.華僑大學(xué)，福建 泉州 362021）

目前，我國(guó)工業(yè)機(jī)械設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論偏于保守，設(shè)計(jì)者一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)，易造成機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)階段所選取的安全因數(shù)過(guò)大，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備自身質(zhì)量過(guò)大，從而造成鋼結(jié)構(gòu)耗材增多和生產(chǎn)成本增大，提高了機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸及安裝難度[1-4]。

工程機(jī)械輪胎后充氣裝置是輪胎工業(yè)中常用的機(jī)械設(shè)備，是生產(chǎn)尼龍簾布輪胎不可缺少的裝置。由于工程機(jī)械輪胎后充氣裝置需要靈活布置在輪胎硫化機(jī)附近，且有時(shí)會(huì)根據(jù)工藝變化而改變位置，這就要求裝置自身質(zhì)量不能過(guò)大。

現(xiàn)有某公司生產(chǎn)的工程機(jī)械輪胎后充氣裝置機(jī)架（以下簡(jiǎn)稱機(jī)架）由于設(shè)計(jì)的安全因數(shù)過(guò)大，結(jié)構(gòu)笨重，機(jī)架質(zhì)量在整機(jī)質(zhì)量中占比較大，故需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。本工作采用三維建模軟件SolidWorks對(duì)機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化建模，并將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中對(duì)機(jī)架模型進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]，從而使機(jī)架總體質(zhì)量減小。

1 有限元模型

1.1 三維模型

通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化建模。機(jī)架整體尺寸為1 889 mm×2 200 mm×1 200 mm，主要包括底座、立柱、橫梁、軸套安裝板、輪轂圓盤(pán)安裝板、加強(qiáng)板等構(gòu)件。其中，底座由槽鋼焊接構(gòu)成，立柱和橫梁均由矩形鋼管構(gòu)成，軸套安裝板、輪轂圓盤(pán)安裝板和加強(qiáng)板均由鋼板構(gòu)成。根據(jù)機(jī)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及計(jì)算效率和準(zhǔn)確性要求，機(jī)架參數(shù)化建模時(shí)忽略一些附屬部件、焊點(diǎn)和倒角等對(duì)機(jī)架整體力學(xué)性能影響較小的幾何組件，將機(jī)架看成一個(gè)剛性連接體[6]，其材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，材料參數(shù)如下：密度 7.85 Mg·m-3，彈性模量 210 GPa，泊松比 0.3，屈服極限（σs）235 MPa。機(jī)架三維模型如圖1所示。

圖1 機(jī)架三維模型Fig.1 Three-dimensional model of frame

1.2 有限元模型

將參數(shù)化的機(jī)架三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：網(wǎng)格相關(guān)度值 100，關(guān)聯(lián)性中心 細(xì)化，網(wǎng)格平滑度 高，過(guò)渡 慢速，跨度中心角 細(xì)化，網(wǎng)格最小尺寸 5 mm。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)受力較大的邊界進(jìn)行了網(wǎng)格（四面體網(wǎng)格）細(xì)分，模型共有884 521個(gè)節(jié)點(diǎn)，583 254個(gè)單元[7-8]。機(jī)架有限元模型如圖2所示。

驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程如下：根據(jù)有限元靜力學(xué)分析結(jié)果，在應(yīng)變較大且易于測(cè)試的部位中選擇6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，這6個(gè)測(cè)量點(diǎn)分布如圖4所示。

圖2 機(jī)架有限元模型Fig.2 Finite element model of frame

2 靜力學(xué)分析

2.1 負(fù)荷與約束處理

2.1.1 負(fù)荷

機(jī)架自身質(zhì)量通過(guò)設(shè)置材料屬性自動(dòng)添加，其主要受力部件為左右兩端的立柱，當(dāng)輪胎充氣壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，立柱壓力達(dá)到峰值（為137.2 kN），此時(shí)輪胎后充氣裝置達(dá)到滿載工況。左側(cè)立柱壓力通過(guò)限位裝置傳導(dǎo)，右側(cè)立柱壓力通過(guò)輪轂圓盤(pán)定位裝置傳導(dǎo)。右側(cè)輪轂圓盤(pán)安裝板上有4個(gè)螺栓孔，孔上主要承受輪轂圓盤(pán)（質(zhì)量為116.83 kg）和輪胎（質(zhì)量為200 kg）重力。

2.1.2 約束

對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，如果對(duì)結(jié)構(gòu)不能準(zhǔn)確施加約束，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部過(guò)剛或者計(jì)算不收斂，最終影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。由于本工作機(jī)架底座通過(guò)螺栓與地面連接，故將底座底面設(shè)置為固定約束。

2.2 結(jié)構(gòu)模型有限元分析

在滿載工況下，機(jī)架應(yīng)力和應(yīng)變分布見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)架應(yīng)力和應(yīng)變分布Fig.3 Stress and strain distributions of frame

從圖3可以看出：滿載工況下機(jī)架最大等效應(yīng)力（σmax）和最大等效應(yīng)變（εmax）均位于輪轂圓盤(pán)安裝板上的螺栓孔附近；機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度存在較大盈余。同時(shí)，滿載工況下機(jī)架最大位移（dmax）位于軸套安裝板附近。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)原理如下：測(cè)得機(jī)架上部分點(diǎn)的應(yīng)變并與有限元靜力學(xué)仿真的對(duì)應(yīng)應(yīng)變進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證機(jī)架有限元靜力學(xué)分析的正確性，為后續(xù)機(jī)架輕量化設(shè)計(jì)提供正確的有限元模型。驗(yàn)證試驗(yàn)工況與有限元靜力學(xué)分析工況一致。

施加到機(jī)架上的負(fù)荷主要是輪胎充氣后膨脹產(chǎn)生的壓力負(fù)荷，并且負(fù)荷最大位移方向垂直于立柱方向。為確保機(jī)架剛性和安全性，機(jī)架在工作過(guò)程中產(chǎn)生的dmax必須在安全范圍內(nèi)，故最大位移約束函數(shù)[dmax（x）]≤d（d為機(jī)架許用位移，本工作d為2 mm）。

在切削加工過(guò)程中，刀具的前后刀面及刃口會(huì)發(fā)生磨損，刀桿受力會(huì)發(fā)生變形。刀具的磨損和變形會(huì)對(duì)工件的加工精度、表面質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，有時(shí)會(huì)引起加工超差和廢品率上升。刀具磨損檢測(cè)傳統(tǒng)上采用離線方式檢測(cè)，不僅影響加工效率，還由于需要重新對(duì)刀容易引起接刀誤差。本文提出一種便攜式低成本的刀具磨損在位檢測(cè)方法，如圖10所示。

（3）政府監(jiān)管主要是將開(kāi)展綠色生產(chǎn)模式的企業(yè)及金融機(jī)構(gòu)的利率優(yōu)惠程度作為監(jiān)管的出發(fā)點(diǎn)。政府監(jiān)管部門(mén)對(duì)金融機(jī)構(gòu)的監(jiān)管受企業(yè)開(kāi)展綠色化生產(chǎn)模式技術(shù)創(chuàng)新資金缺口、非優(yōu)惠利率和優(yōu)惠利率的影響較大，而受自身監(jiān)管成本的影響較小。

圖4 6個(gè)測(cè)量點(diǎn)分布Fig.4 Distributions of six measurement points

對(duì)形狀優(yōu)化后的機(jī)架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，其應(yīng)力分布如圖6所示。

表1 6個(gè)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比Tab.1 Comparison of test results and simulation results of strains of six measuring points

從表1可以看出，測(cè)量點(diǎn)5應(yīng)變測(cè)量值具有較大的誤差。造成這種現(xiàn)象的原因是：機(jī)架參數(shù)化建模時(shí)忽略了一些小部件和倒角等結(jié)構(gòu)組件；應(yīng)變計(jì)粘貼部位打磨不夠光整和清洗不夠干凈，其粘貼部位形態(tài)不能和仿真部位形態(tài)達(dá)到完全一致；外界信號(hào)干擾。通過(guò)上述分析，測(cè)量點(diǎn)5測(cè)量誤差屬于偶然誤差。

加熱對(duì)于農(nóng)藥的影響可能比數(shù)字顯示的更加復(fù)雜。比如說(shuō)，有些農(nóng)藥在高溫下會(huì)分解，而分解的產(chǎn)物有些無(wú)毒，有些卻可能更具毒性。所以，在不清楚農(nóng)藥特性的前提下，通過(guò)烹飪前處理來(lái)去除果蔬上的農(nóng)藥殘留，無(wú)疑是更好的方案。

從表1還可以看出，各測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量值與仿真值基本一致，達(dá)到工程精度的要求。因此，機(jī)架有限元模型設(shè)置合理，可以用于后續(xù)機(jī)架輕量化設(shè)計(jì)。

4.2.2 約束函數(shù)確定

4 機(jī)架輕量化設(shè)計(jì)

為減小機(jī)架整體質(zhì)量，減少結(jié)構(gòu)耗材，降低運(yùn)輸及安裝難度，根據(jù)前述分析結(jié)果，先后采用形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化對(duì)機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)[10]，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

4.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化的目標(biāo)是使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)顯示可能發(fā)生體積減小的區(qū)域，拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)轉(zhuǎn)變?yōu)樵谶x定區(qū)域內(nèi)尋求形狀和材料的分布最優(yōu)。拓?fù)鋬?yōu)化主要應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期階段或?qū)ΜF(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)[11-14]。

4.2.3 結(jié)果分析

圖5 機(jī)架形狀優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Shape optimization result of frame

從圖5可以看出：機(jī)架的紅色區(qū)域可以移除，去除該部分材料對(duì)整個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較??；機(jī)架的灰色區(qū)域不可移除。考慮到機(jī)架功能和實(shí)際裝配，一些紅色區(qū)域無(wú)法移除，比如機(jī)架形狀優(yōu)化結(jié)果顯示其底座部分整體應(yīng)力較小，大部分可以去除，但為了避免對(duì)底座進(jìn)行材料去除后導(dǎo)致底座過(guò)輕而產(chǎn)生頭重腳輕的現(xiàn)象，決定不對(duì)底座進(jìn)行材料去除。因此，結(jié)合機(jī)架形狀優(yōu)化結(jié)果，對(duì)機(jī)架的橫梁和加強(qiáng)板進(jìn)行部分材料去除設(shè)計(jì)，優(yōu)化后機(jī)架橫梁使用H型鋼。

使用電阻應(yīng)變計(jì)，選擇全橋接電路連接方法，應(yīng)用NI PXIe4330數(shù)據(jù)采集板與Labview軟件，在滿載工況下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量和數(shù)據(jù)采集[9]。各測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表1。

從圖6可以看出，形狀優(yōu)化后機(jī)架σmax為125.54 MPa，比優(yōu)化前略有增大，但不超過(guò)許用的應(yīng)力范圍。同時(shí)，形狀優(yōu)化使機(jī)架質(zhì)量從997.89 kg減小到923.73 kg，減小了74.16 kg。因此，通過(guò)形狀優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了機(jī)架輕量化。

圖6 形狀優(yōu)化后機(jī)架應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of frame after shape optimization

從圖6還可以看出，機(jī)架大部分區(qū)域強(qiáng)度仍然具有較大的余量，故可以進(jìn)一步對(duì)機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

4.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化即在滿足機(jī)架強(qiáng)度和剛度的前提下，通過(guò)對(duì)機(jī)架上某些構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，獲得機(jī)架輕量化的設(shè)計(jì)方案。在上述分析的基礎(chǔ)上，本工作采用ANSYS Workbench軟件中的Design Exploration優(yōu)化工具（目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化）對(duì)機(jī)架進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)[15]。

第四、表1中學(xué)生座談會(huì)所反映的問(wèn)題以及教師在平常工作中一些消極行為表現(xiàn)，在日常的教學(xué)管理中常常會(huì)受到人情世故的影響，即行政領(lǐng)導(dǎo)不好拿捏處理的分寸，這種現(xiàn)象在教育活動(dòng)和教育生活中是有現(xiàn)實(shí)意義的——因?yàn)榻逃旧硎潜仨氈v感情的，沒(méi)有感情而教育，則毫無(wú)效果可言。但若在實(shí)際工作中這種情況被不了了之，就會(huì)讓群體的影響走向負(fù)面。因此，建議此項(xiàng)實(shí)行隱性處理，比如減分并記次數(shù)制等。

4.2.1 輸入與輸出參數(shù)確定

機(jī)架結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由實(shí)際工藝動(dòng)作確定，相比較而言，立柱矩形鋼管厚度可選擇的空間比較大，因此選擇4根立柱矩形鋼管厚度（xi，i＝1—4）作為輸入?yún)?shù)[6]。根據(jù)市場(chǎng)上所使用的鋼管規(guī)格，將xi規(guī)定在一定范圍（5 mm≤xi≤10 mm）內(nèi)。

研究了發(fā)酵原油的氨基酸組成，根據(jù)不同氨基酸的呈味特性和呈味強(qiáng)度對(duì)新菌株進(jìn)行了氨基酸呈味方面的對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)下表；對(duì)發(fā)酵原油進(jìn)行了感官鑒評(píng)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

①落實(shí)管護(hù)人員，明確管護(hù)責(zé)任。北京市政府印發(fā)了《關(guān)于建立本市農(nóng)村水務(wù)建設(shè)與管理機(jī)制意見(jiàn)的通知》。全市成立3927個(gè)農(nóng)民用水協(xié)會(huì)，政府通過(guò)購(gòu)買(mǎi)服務(wù)的方式 （每人每月500元補(bǔ)助）組建了10800名農(nóng)民管水員隊(duì)伍，負(fù)責(zé)農(nóng)村水土保持、機(jī)井管理、用水計(jì)量、水資源費(fèi)征收、河道管護(hù)等工作，實(shí)現(xiàn)了源頭管理。北京市政府建立了水源涵養(yǎng)林管護(hù)機(jī)制，出臺(tái)了山區(qū)移民搬遷政策 （每人每月400元補(bǔ)助）組建了4萬(wàn)多名生態(tài)林管護(hù)員隊(duì)伍，使全市61萬(wàn)hm2水源涵養(yǎng)林實(shí)現(xiàn)了管護(hù)全覆蓋。

由于尺寸優(yōu)化目的是使機(jī)架質(zhì)量減小，達(dá)到輕量化的效果，因此將形狀優(yōu)化后的機(jī)架模型質(zhì)量進(jìn)行參數(shù)化，并將其設(shè)置為輸出參數(shù)[F（x）min，F(xiàn)（x）為機(jī)架質(zhì)量][16]。為了可以在后續(xù)優(yōu)化中選擇機(jī)架σmax與dmax為約束條件，將形狀優(yōu)化后機(jī)架的σmax與dmax設(shè)置為輸出參數(shù)。

根據(jù)給定訓(xùn)練樣本：{x1，x2,x3,……，x56}，xi∈Rn，確定m個(gè)聚類中心點(diǎn)，分別為μ1，μ2，μ3，……，μm∈Rn，計(jì)算每一個(gè)樣本xi所屬類別Ci，即樣本到類別中心歐式距離最小的類別，公式如下:

機(jī)架在輕量化設(shè)計(jì)后應(yīng)滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求。本工作中，機(jī)架材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，其許用應(yīng)力為σs，機(jī)架工作過(guò)程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力約束函數(shù)[σmax（x）]≤σs。

學(xué)校應(yīng)該建立科學(xué)、公正、公開(kāi)的教學(xué)督導(dǎo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，使廣大教師不斷提升教育教學(xué)能力。通過(guò)教學(xué)督導(dǎo)，學(xué)校可以了解每位教師的教學(xué)過(guò)程和教學(xué)效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)教師在教學(xué)過(guò)程中存在的不足，幫助其總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而提高教學(xué)水平。建立科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，如以學(xué)生為主體、以項(xiàng)目為載體、以能力為目標(biāo)等，對(duì)提高教師教學(xué)水平有積極的引導(dǎo)和促進(jìn)作用。

將經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的機(jī)架有限元模型導(dǎo)入到ANSYS Worbench軟件的形狀優(yōu)化模塊，在滿載工況下優(yōu)化機(jī)架形狀。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用于模型的負(fù)荷和邊界條件與靜力分析相同。根據(jù)機(jī)架質(zhì)量減小的要求，目標(biāo)參數(shù)值設(shè)定為質(zhì)量減小30%，機(jī)架形狀優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)對(duì)參數(shù)和約束條件的設(shè)置，對(duì)形狀優(yōu)化后的機(jī)架模型進(jìn)行分析，得到3組參考點(diǎn)，選擇最優(yōu)參考點(diǎn)，并根據(jù)市場(chǎng)上的鋼管規(guī)格將其厚度取整。尺寸優(yōu)化前后機(jī)架各變量對(duì)比值如表2所示。尺寸優(yōu)化后機(jī)架應(yīng)力分布和總體形變情況分別如圖7和8所示。

從表2和圖7—8可以看出：相比于形狀優(yōu)化后，尺寸優(yōu)化后機(jī)架質(zhì)量又減小了230.85 kg；滿載工況下機(jī)架σmax和dmax均在許用范圍內(nèi)，且仍存在一定余量。

表2 尺寸優(yōu)化前后機(jī)架各變量對(duì)比值Tab.2 Contrast values of variables of frame before and after size optimization

圖7 尺寸優(yōu)化后機(jī)架的應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of frame after size optimization

圖8 尺寸優(yōu)化后機(jī)架的總體形變Fig.8 Total deformation of frame after size optimization

4.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)尺寸優(yōu)化后機(jī)架模型的有限元靜力學(xué)分析，在輪轂圓盤(pán)安裝板上的螺栓孔附近發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。大量的疲勞試驗(yàn)研究[17]表明，疲勞損傷可能發(fā)生在機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位。因此，為了避免這種現(xiàn)象，改進(jìn)了機(jī)架模型結(jié)構(gòu)，在輪轂圓盤(pán)安裝板后，在3號(hào)和4號(hào)立柱內(nèi)焊接壁厚為5 mm的槽鋼。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后機(jī)架的三維模型剖面如圖9所示，應(yīng)力分布如圖10所示。

佛山海事局南海九江海事處副處長(zhǎng)周龍騰表示，渡船的安全監(jiān)管一直是海事監(jiān)管的重中之重。幾年來(lái)，佛山政府在不斷加大渡船更新改造的同時(shí)，我們海事部門(mén)也一直不斷地在優(yōu)化監(jiān)管模式，在提升監(jiān)管效能上下功夫。很榮幸，海壽渡口能夠作為樣本渡口來(lái)接待來(lái)自東盟多國(guó)的專家代表參觀交流。區(qū)域非公約船舶安全管理培訓(xùn)為我們交流渡船安全管理提供了平臺(tái)，這將進(jìn)一步凝聚合作共識(shí)，共同推進(jìn)中國(guó)和周邊國(guó)家在非公約船舶領(lǐng)域的合作。

再次，確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。本文采用客觀賦權(quán)法標(biāo)準(zhǔn)差法，即某指標(biāo)下指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)差越大，則表明該指標(biāo)下各個(gè)測(cè)評(píng)對(duì)象之間的差異越大，賦予的權(quán)重也越大。在指標(biāo)cj下的標(biāo)準(zhǔn)差為Sj。將各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重與無(wú)量綱化值相乘，有確定正負(fù)理想點(diǎn)，即正理想點(diǎn)為每列最大值形成的向量，u+=（maxui1，…，maxui8），負(fù)理想點(diǎn)是每列最小值形成的向量，u-=（maxui1，…，maxui8）。于是，各個(gè)測(cè)評(píng)對(duì)象與正負(fù)理想點(diǎn)的距離可以表示為：與正理想點(diǎn)的距離=sqr［∑（uij-maxuij）2］，與負(fù)理想點(diǎn)的距離sqr［∑（uij-maxuij）2］。每個(gè)測(cè)評(píng)對(duì)象的相對(duì)貼近度為

圖9 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后機(jī)架的三維模型剖面示意