斗輪堆取料機(jī)斗輪體結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟凡成　于海龍

摘要：為了保障斗輪堆取料機(jī)斗輪體系結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，本次研究主要借助于ANSYS參數(shù)化形式的設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL來(lái)進(jìn)行某種類(lèi)型斗輪堆取料機(jī)斗輪體結(jié)構(gòu)模型的建立，并借助于有限元分析的方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。希望通過(guò)本次的分析，可以為斗輪體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供相應(yīng)參考。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機(jī);斗輪體結(jié)構(gòu);有限元分析;結(jié)構(gòu)分析

在目前的集散料處理中，斗輪堆取料機(jī)是最大的成套設(shè)備，該設(shè)備在港口碼頭、火電廠、礦山和鋼鐵廠等的散料輸送中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著當(dāng)今各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，斗輪堆取料機(jī)也開(kāi)始朝著大型化、系列化以及自動(dòng)化的方向發(fā)展。在此過(guò)程中，其斗輪體結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化也就受到了各個(gè)領(lǐng)域的高度重視。

一、將APDL作為基礎(chǔ)對(duì)斗輪體進(jìn)行有限元分析

（一）建立參數(shù)化模型

在進(jìn)行斗輪體的優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)該借助于ANSYS參數(shù)化形式的設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL中所具備的參數(shù)化功能來(lái)進(jìn)行斗輪體參數(shù)化有限元模型的建立。因?yàn)槎份嗴w有著不規(guī)則的形狀和比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行參數(shù)化模型的建立過(guò)程中，為保障建模的簡(jiǎn)單化，就需要對(duì)其局部的結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，也就是將一些不會(huì)對(duì)整體造成很大影響的特征簡(jiǎn)化[1]。在具體的建模過(guò)程中，主要用來(lái)進(jìn)行有限元分析以及斗輪體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本參數(shù)有三個(gè)，其一是DQL1，其二是DQL3，其三是OQL5，下表是這三個(gè)基本參數(shù)的初始值：（見(jiàn)表1）

在輸入完初始參數(shù)后，就可以通過(guò)該程序進(jìn)行模型建立。因?yàn)槎份嗴w屬于一種薄壁結(jié)構(gòu)，所以在建模過(guò)程中僅僅選擇實(shí)體單元或者是殼單元即可，但相比之下，如果選擇殼單元來(lái)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，其運(yùn)算量將會(huì)更少一些。且在進(jìn)行彎矩計(jì)算時(shí)，實(shí)體單環(huán)的厚度單元層數(shù)量也比較少，這就會(huì)加大計(jì)算結(jié)果的誤差。因此在本次建模分析中，就將shell281這一殼單元用來(lái)進(jìn)行殼體模型建立，將其厚度定義為0.01m。本次模型建立所選擇的材料是Q235B，下表是本次設(shè)其相關(guān)屬性定義：（見(jiàn)表2）

（二）網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行有限元模型的建立過(guò)程中，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分質(zhì)量將會(huì)對(duì)模型計(jì)算精度產(chǎn)生直接影響，過(guò)低的質(zhì)量甚至?xí)?dǎo)致計(jì)算中斷。本次設(shè)計(jì)中，出于對(duì)結(jié)構(gòu)具體復(fù)雜程度以及實(shí)際有限元分析需求的考慮，通過(guò)自有劃分法將斗輪體的參數(shù)化模型按照16398個(gè)單元進(jìn)行劃分。

（三）加載和約束的建立

因?yàn)槎份喍讶×蠙C(jī)的工作具有連續(xù)性，也就是說(shuō)，在具體的工作中，該機(jī)械將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，但是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速很低，所以斗輪體受到的荷載可以看做是靜荷載。因此在斗輪體設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要進(jìn)行集中載荷和自由度約束的施加。本次設(shè)計(jì)中，將三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)和位移約束施加在了斗輪體模型中心，這樣就是其整體結(jié)構(gòu)的自由度保持為零，將所有的輪圈表面和立柱表面都進(jìn)行200N集中荷載的施加，然后通過(guò)SOLVE命令的執(zhí)行來(lái)進(jìn)行計(jì)算求解。

（四）模型的后處理

經(jīng)過(guò)計(jì)算求解之后，就可以得出一個(gè)斗輪體的應(yīng)力云圖，本次研究中的斗輪體模型最大Von Mises應(yīng)力是94MPa，該應(yīng)力處在斗輪體輪輻靠近輪毅的位置。因?yàn)楸敬芜x擇的材料Q235B的允許應(yīng)力是157MPa。所以，按照第四強(qiáng)度理論，并綜合考慮其安全系數(shù)，本次所設(shè)計(jì)的斗輪體不僅可以有效滿足相應(yīng)的強(qiáng)度需求，且余量很大[2]?；谶@一情況，在具體設(shè)計(jì)中，就可以通過(guò)減輕自重的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)材料節(jié)約，并有效提升斗輪體生產(chǎn)制作的經(jīng)濟(jì)性。

二、將APDL作為基礎(chǔ)對(duì)斗輪體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）數(shù)學(xué)模型的建立

在對(duì)斗輪體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，數(shù)學(xué)模型的建立主要在特定約束條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的合理選取，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)值的做大化或者是最小化。在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)中，主要的設(shè)計(jì)變量選擇有三個(gè)，其一是DQL1，其二是DQL3，其三是DQL5，下表是對(duì)其初始值以及取值范圍的歸納：（見(jiàn)表3）

優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為了讓斗輪體實(shí)現(xiàn)輕量化，應(yīng)該將優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)定義為斗輪體總質(zhì)量，但是因?yàn)槠湔w結(jié)構(gòu)是由同種鋼材焊接而形成，有著均勻的密度，所以在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，目標(biāo)函數(shù)就確定為其總體積VOLUM。另外，在設(shè)計(jì)中，需要將其最大的Von Mises應(yīng)力SMAX選作狀態(tài)變量，以此來(lái)保障強(qiáng)度需求的滿足，以下是本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體數(shù)學(xué)模型：

設(shè)計(jì)變量：x=[DQL1，DQL3，DQL5]

目標(biāo)函數(shù)：min f（x）=minVOLUM（x）

約束條件：s，t.σ≤|σ|

（二）優(yōu)化方案的合理選擇

以APDL為基礎(chǔ)的優(yōu)化方法主要有兩種，其一是零階優(yōu)化法，其二是一階優(yōu)化法。在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，最常用的是零階優(yōu)化法，該方法是借助于狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)的逼近來(lái)實(shí)現(xiàn)工程問(wèn)題的有效處理，其主要的方法有隨機(jī)法、單步運(yùn)行法、子問(wèn)題法和最優(yōu)梯度法等。一階方法是對(duì)偏導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用，也就是通過(guò)狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)的一階偏導(dǎo)數(shù)逼近法來(lái)進(jìn)行問(wèn)題解決，該方法有著很高的精度，在狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)有著較大變化且設(shè)計(jì)空間較大的情況下十分適用[3]。

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)所應(yīng)用的是零階法理的子問(wèn)題法，通過(guò)該方法可以對(duì)設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)以及狀態(tài)變量進(jìn)行整體評(píng)估，然后借助于小二乘法進(jìn)行逼近值的取代擬合，讓約束最小化問(wèn)題實(shí)現(xiàn)到罰函數(shù)無(wú)約束問(wèn)題的轉(zhuǎn)變。以下是本次斗輪體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前后參數(shù)對(duì)比：（見(jiàn)表4）

從表4可以看出，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)在保障各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)滿足實(shí)際應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，斗輪體體積較原來(lái)減少了6.54%，結(jié)構(gòu)輕量化目標(biāo)得以有效實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上，在對(duì)斗輪堆取料機(jī)的斗輪體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要通過(guò)合理的參數(shù)模型建立、數(shù)學(xué)模型建立等來(lái)進(jìn)行優(yōu)化處理。以此來(lái)保障斗輪體結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化，在保障其實(shí)際應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的輕量化。這對(duì)于斗輪體生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的提升和應(yīng)用效果的提升都十分有利。

參考文獻(xiàn)：

[1]張瑋強(qiáng).斗輪機(jī)輪斗軸斷裂成因分析及處理[J].科學(xué)與財(cái)富，2020（5）：87.

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