斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張佳佳

摘 要：首先，本文針對斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)有限元分析進行了較為詳盡的闡述，既提出了上部結(jié)構(gòu)有限元靜力分析方案，也分析了強度準(zhǔn)則；接下來，又對斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法提出了一定看法，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及模型以及前臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化輸入、輸出參數(shù)的確定這兩方面內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機；四連桿式；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前言

在散料裝卸工業(yè)當(dāng)中，斗輪堆取料機是比較常見的大型設(shè)備之一，在港口，采礦區(qū)，散料儲備等場所應(yīng)用廣泛，在散料堆取工作中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。為了使設(shè)備具有更良好的使用性能，就應(yīng)保證其系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)性。由于上部結(jié)構(gòu)在設(shè)備運行中起著關(guān)鍵性的作用，尺寸規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而在以往的設(shè)計當(dāng)中，結(jié)構(gòu)方案的確定一般以操作經(jīng)驗為標(biāo)準(zhǔn)，主觀性較強，因而常常會引發(fā)一定的結(jié)構(gòu)問題。為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計得到優(yōu)化，可引進有限元分析法，對其受力情況進行研究，并在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上形成經(jīng)濟合理的設(shè)計方案。

1.斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1上部結(jié)構(gòu)有限元靜力分析方案

為了對斗輪堆取料機的上部結(jié)構(gòu)進行有限元分析，可采取以下兩種方案：第一種，針對上部結(jié)構(gòu)整體展開研究，進而完成有限元分析；第二種，將整個上部結(jié)構(gòu)進行拆分，針對各個部件展開研究，進而完成有限元分析。上述兩種方案各有利弊，第一種方案的實行需引入銷軸連接定義，構(gòu)建不同部件過渡區(qū)域的接觸模型，因而會更加接近實際情況，但不足之處在于一旦引入銷軸，就必須分別建立實體單元，接觸單元這兩個模型，不僅建立過程繁瑣，且運算量較大，極易出現(xiàn)失誤；第二種方案由于將設(shè)備進行了拆分處理，因此具備建模靈活，運算量較小，分析過程不易出錯的優(yōu)越性。由于斗輪機構(gòu)與臂架系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而在對上述兩種方案進行選擇時，應(yīng)具體參考斗輪的結(jié)構(gòu)性能，可通過對其進行一定程度的簡化，以梁單元的角度進行考慮，根據(jù)實際安裝位置，采用MPC184 剛性梁單元，將斗輪結(jié)構(gòu)與前臂架進行連接，從而對斗輪重量，挖掘阻力等要素進行模擬，從而使載荷得以傳遞。

1.2強力準(zhǔn)則

如果當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，可對各部件的應(yīng)力狀態(tài)進行確認(rèn)，矩陣式表示為：

T=σxτxyτxzτyxσyτyzτzxτzyσz （公式一）

對斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進行計算時，考慮到了正應(yīng)力及剪應(yīng)力，根據(jù)剪應(yīng)力互等原理，可推導(dǎo)出τxy=τyx，τxz=τzx，τyz=τzy。因此，為了對結(jié)構(gòu)不同位置的應(yīng)力狀態(tài)予以確認(rèn)，只需分別得出此處的三個正應(yīng)力分量，以及三個剪應(yīng)力分量；如果采用鋼材進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，則等效應(yīng)力應(yīng)表示為：

σe =12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2] （公式二）

此式中的σ1，σ2，σ3分別代表主應(yīng)力。

2.斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及模型

根據(jù)對強度準(zhǔn)則的分析，可以發(fā)現(xiàn)前臂架的強度留有更大的余量。對其主體結(jié)構(gòu)進行觀察，發(fā)現(xiàn)其截面處呈現(xiàn)雙“工”字形，說明主體結(jié)構(gòu)是由垂直方向的翼緣，以及水平方向的腹板所共同組成。為了克服前臂架的使用缺陷，緩解其強度儲備偏高的問題，使其結(jié)構(gòu)更加靈活，向輕量化型改進，本文將運用ANSYS Workbench的Design Explorer（DX）模塊下的技術(shù)，將多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化法（GOD：Goal Driven Optimization）與多目標(biāo)遺傳算法結(jié)合起來，以添加參數(shù)的運算方式，完成對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。其具體流程如下：如果當(dāng)前條件已經(jīng)具備足夠的強度及剛度，可施加相應(yīng)負(fù)載，以前臂架結(jié)構(gòu)作為分析對象，將其垂直方向的翼緣，以及水平方向的腹板作為參數(shù)的變量，優(yōu)化目的在于最大程度地減小前臂架的重量，追求結(jié)構(gòu)在厚度方向上的最優(yōu)布局。以ANSYS Workbench為依托的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，整個過程需要參數(shù)化建模，求解，參數(shù)評價，優(yōu)化循環(huán)，修改設(shè)計變量等一系列程序。

2.2前臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化輸入、輸出參數(shù)的確定

2.2.1設(shè)計變量及其范圍

使用DX模塊時，設(shè)計變量是由參數(shù)決定的。前臂架在結(jié)構(gòu)上相對復(fù)雜，因此要想構(gòu)建系統(tǒng)化的數(shù)學(xué)模型，必然具有一定難度。這樣就應(yīng)當(dāng)從提取關(guān)鍵因素入手，對不同規(guī)格產(chǎn)生的作用程度進行分析，從中選出作用力最為明顯的作為設(shè)計變量，一般是將垂直方向翼緣的上部厚度P1，下部厚度P4，水平方向腹板的左側(cè)厚度P3，以及右側(cè)厚度P7作為設(shè)計變量，各變量分別取值為P1=P4=14mm，P3=P7=10mm。為了使鋼板具備良好的制造工藝，在保證其足夠的耐用性，以免發(fā)生形變或銹蝕的同時，又能夠提高其軋制性能，焊接性能，以及機械性能，最好應(yīng)將鋼板厚度控制在6mm-20mm之間。

2.2.2輸出變量

由于受到載荷的影響，在評估結(jié)構(gòu)強度時，應(yīng)考慮到前臂架的最大等效應(yīng)力。當(dāng)參數(shù)尺寸發(fā)不斷變化時，前臂架的最大應(yīng)力及質(zhì)量也會同時發(fā)生變化。將其最大等效應(yīng)力（Equivalent Stress Maxinum）作為輸出參數(shù)P6，模型的總質(zhì)量（Geometry Mass）為輸出參數(shù)P5。

3.結(jié)論

本文通過對斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行深入分析和探究，指出斗輪堆取料機在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著極其重要的地位，為了提高其使用性能，有必要對其上部結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。本文采用了有限元法對斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)進行了分析，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了斗輪堆取料機四連桿式上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

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