茶葉滾筒殺青機(jī)機(jī)架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

丁欽 姚迪 張紹友 汪彬 趙時(shí)宇

摘要：通過(guò)強(qiáng)度與剛度分析，在建立茶葉滾筒殺青機(jī)機(jī)架的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，對(duì)茶葉滾筒殺青機(jī)機(jī)架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。修改模型設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域，進(jìn)行了有限元拓?fù)涞?jì)算。根據(jù)原機(jī)架的工況和優(yōu)化目標(biāo)對(duì)模型設(shè)定了材料參數(shù)、栽荷與約束、響應(yīng)條件、設(shè)計(jì)目標(biāo)，獲得了滾筒茶葉殺青機(jī)機(jī)架輕量化設(shè)計(jì)方案。使用結(jié)果顯示：優(yōu)化后應(yīng)力分布更加均勻，且質(zhì)量由原先的280.5kg下降到228.7kg，減重18.5%。

關(guān)鍵詞：滾筒殺青機(jī);有限元法;拓?fù)鋬?yōu)化;應(yīng)力分布;輕量化

中圖分類(lèi)號(hào)：TS272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）20-0167-02

1引言

殺青是許多品種茶葉制作工序的第一步，滾筒殺青機(jī)是以翻炒為主，兼有蒸殺作用的高效率連續(xù)式殺青機(jī)，殺青和殺青機(jī)是茶葉生產(chǎn)必須的一道工序和茶葉制造的一種必備機(jī)械。傳統(tǒng)茶葉滾筒殺青機(jī)的主體部分是框架式結(jié)構(gòu)，大部分構(gòu)件所受的載荷是沿垂直于桿軸的方向作用的，彎矩沿桿長(zhǎng)變化很迅速，最大的彎矩常限于一小段內(nèi)，在較長(zhǎng)段內(nèi)材料不能充分利用。本研究利用hyperworks軟件的OptiStruct模塊針對(duì)茶葉滾筒殺青機(jī)的機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決殺青機(jī)結(jié)構(gòu)不合理、節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中的問(wèn)題以達(dá)到輕量化的目的。

2流程分析

首先對(duì)原機(jī)架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化處理，建立初始力學(xué)模型，并用hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在可設(shè)計(jì)范圍內(nèi)擴(kuò)充設(shè)計(jì)空間，得到優(yōu)化原型。劃分設(shè)計(jì)域和非設(shè)計(jì)域，設(shè)計(jì)域?yàn)榭蓛?yōu)化區(qū)域，非設(shè)計(jì)域由于連接滾筒外殼、鏈輪、電機(jī)及底架等裝置，其尺寸有特殊要求，在拓?fù)鋬?yōu)化中不能改變。

對(duì)其設(shè)置材料參數(shù)，均選用Q235鋼，其彈性模量為2.1×10⁵MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×10³k/m³，屈服強(qiáng)度為235MPa。添加載荷與約束，運(yùn)用OptiStruct模塊進(jìn)行求解。設(shè)置求解條件與設(shè)計(jì)目標(biāo)，在經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算后，用OSSmooth工具導(dǎo)出CAD模型，利用solidworks進(jìn)行模型重構(gòu)，并用其中的評(píng)估功能估算優(yōu)化后機(jī)架的質(zhì)量并與原機(jī)架質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，減重合格后再次將重構(gòu)后的模型導(dǎo)人hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，與原機(jī)架的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。若應(yīng)力分布更加均勻，則優(yōu)化完成。圖1為拓?fù)鋬?yōu)化流程示意圖。

3有限元模型的建立

為了方便建立模型與拓?fù)鋬?yōu)化，在初期概念設(shè)計(jì)階段口，本研究將50mm×50mm×2.5mm的方管簡(jiǎn)化為的實(shí)心長(zhǎng)方體，其目的是確定較為合理的桿件布局來(lái)提高剛度，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。如圖2所示，原機(jī)架結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)度為4735mm的4根橫檔，長(zhǎng)度為1130mm的7根撐檔，長(zhǎng)度為538mm的16根豎擋以及4塊撐板組成。下橫檔兩側(cè)中部各有一個(gè)小孔，用于安裝與底架固定的套筒，后撐板底部放置，用于支撐和調(diào)節(jié)角度的千斤頂。為了使優(yōu)化效果達(dá)到最佳，將優(yōu)化范圍擴(kuò)大到所有可以分布桿件的區(qū)域。

在整機(jī)裝配完成進(jìn)行工作時(shí)，機(jī)架所受外力主要有來(lái)自滾筒自身的重力、滾筒震動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平方向的沖擊力及電機(jī)自重，其中滾筒重力集中分布在上橫擋五處由螺栓緊固固定的微小區(qū)域，可簡(jiǎn)化分解為距離相等的5個(gè)點(diǎn)。受到的約束主要為與底架兩側(cè)相固定的套筒以及底部千斤頂?shù)闹巍L筒自重為15600N，電機(jī)自重為400N，考慮1.6左右的安全系數(shù)，因此取總重量25000N，平均重力2500-N，電機(jī)壓力取640N，圖3為載荷及約束示意圖。

4結(jié)果分析

4.1拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

通過(guò)對(duì)茶葉滾筒殺青機(jī)機(jī)架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化迭代計(jì)算，采用變密度的方法將連續(xù)體離散為有限元模型Ⅲ，每個(gè)單元內(nèi)的密度指定為相同。建立柔度響應(yīng)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)，并設(shè)置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為約束條件，最大值為0.3，優(yōu)化目標(biāo)為撓度最?。▌偠茸畲螅?。得到圖4所示的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，用OSSmooth工具導(dǎo)出，在考慮加工工藝的基礎(chǔ)上，用solidworks軟件進(jìn)行幾何重構(gòu)，將拓?fù)鋬?yōu)化迭代產(chǎn)生的不規(guī)則形狀修改為易于加工的矩形桿件。

4.2質(zhì)量分析

將重構(gòu)模型的實(shí)心桿件轉(zhuǎn)換為50mm×50mm×2.5mm的方鋼，利用solidworks進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，與原機(jī)架進(jìn)行對(duì)比，質(zhì)量由原先的280.5kg下降到228.7kg，減重18.5%。

4.3應(yīng)力分析

重構(gòu)后再次將CAD模型導(dǎo)入hypermesh中進(jìn)行有限元分析驗(yàn)算，得到如圖5所示應(yīng)力云圖。

如表1所示，優(yōu)化前機(jī)架承受最大應(yīng)力為74.54MPa，各區(qū)域間應(yīng)力變化較大，優(yōu)化后機(jī)架所承受最大應(yīng)力為71.97MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力減小且應(yīng)力分布更為均勻。表1為優(yōu)化前后茶葉滾筒殺青機(jī)機(jī)架參數(shù)對(duì)比表。

5結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用hypermesh軟件的OptiStruct模塊對(duì)滾筒茶葉殺青機(jī)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在相同工況下應(yīng)力分布更為均勻，最大應(yīng)力為71.97MPa，質(zhì)量由原先的280.5kg下降到228.7kg，減重18.5%。而在加工工藝上，該設(shè)計(jì)只改變了切割角度和焊接角度，并沒(méi)有增加太大的難度。在進(jìn)行機(jī)架設(shè)計(jì)時(shí)，利用OptiSt-ruct進(jìn)行優(yōu)化能兼顧穩(wěn)定性與輕量化，是一種可行的思路。