基于水電站ANSYS的液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

閆軍林

(吐魯番市清源水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 吐魯番 838000)

大液壓啟閉機(jī)是航空、能源、汽車等行業(yè)大型結(jié)構(gòu)件成型加工的重要設(shè)備。通常情況下，液壓啟閉系統(tǒng)包括液壓缸組件，液壓泵站，輸送管道，檢測設(shè)備和電控設(shè)備。該機(jī)構(gòu)具有尺寸大、加工時壓力高、活動梁位移大等特點(diǎn)，且受動荷載影響較大。盡管有多種簡化方法，但設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均不高，并且存在設(shè)計(jì)周期長，結(jié)構(gòu)不合理，效益低下等問題。所以，在保證沖壓機(jī)身使用性能和技術(shù)要求的前提下，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是十分必要的。當(dāng)前已有較多學(xué)者開展了關(guān)于液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的研究，其中，殷正瑞等[1]對100MN液壓鍛造機(jī)預(yù)緊組合式機(jī)架的有限元分析，該分析方法主要對機(jī)架三維建模，然后對機(jī)架進(jìn)行動力學(xué)分析，以機(jī)架最大變形與應(yīng)力集中的位置作為優(yōu)化的主要部分，并對優(yōu)化后的機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)分析。蔡曙光等[2]主要采用Flow3D軟件對大型液壓機(jī)機(jī)架進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測出可能產(chǎn)生的鑄造缺陷，對機(jī)架進(jìn)行了優(yōu)化。上述方法雖然對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，但是存在機(jī)架結(jié)構(gòu)的位移問題，為此將ANSYS應(yīng)用到液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中。ANSYS是工程設(shè)計(jì)軟件，該系統(tǒng)具有復(fù)合材料設(shè)計(jì)、三維構(gòu)件制作、擴(kuò)展建模、動力分析、流體力學(xué)分析、聲場分析、結(jié)構(gòu)靜力分析等功能，因此將ANSYS應(yīng)用到液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中具有重要意義，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此次研究的方法的有效性。

1 基于ANSYS的液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

1.1 幾何模型建立

以某液壓啟閉機(jī)為例進(jìn)行實(shí)體建模與研究分析，建模時運(yùn)用ANSYS軟件，遵循自上而下的原則進(jìn)行實(shí)體建模，此次研究主要對液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

1.2 有限元模型的建立

液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和實(shí)際工況條件復(fù)雜。整個液壓機(jī)模型的建立，需要在不影響精度的情況下，簡化結(jié)構(gòu)以提高計(jì)算速度。

(1)在不影響主要因素的情況下，不受力或受力較小的構(gòu)件可以被忽略。

(2)分析認(rèn)為，各焊接件的焊接質(zhì)量均為絕對可靠，焊縫對傳力效果無影響，各焊接件可視為單一連續(xù)體。

(3)不考慮地腳螺栓的彈性變形，認(rèn)為其剛度是無窮的。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對液壓機(jī)的三維實(shí)體模型進(jìn)行簡化處理，然后將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

1.2.1網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是為了實(shí)現(xiàn)液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的離散，它對建立ANSYS模型具有重要意義。網(wǎng)格型式與密度直接影響計(jì)算工作量及結(jié)果的準(zhǔn)確性，當(dāng)網(wǎng)格劃分不合理時，復(fù)雜幾何區(qū)域[3]內(nèi)的網(wǎng)格單元將發(fā)生變形，低級網(wǎng)格區(qū)域?qū)@得不一致的數(shù)據(jù)場。其基本原則包括均勻應(yīng)力區(qū)[4]的粗略劃分與集中應(yīng)力區(qū)的細(xì)劃分，由于液壓啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，外形復(fù)雜，因此選取智能網(wǎng)格劃分，將精度等級設(shè)置50，網(wǎng)格尺寸大小為30mm。

1.2.2液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)模態(tài)分析

在對液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)模態(tài)分析過程中，分析機(jī)架的受力[5]情況，受力簡圖如圖1所示。

圖1 機(jī)架受力簡圖

圖1中，Py代表作用在啟閉機(jī)上的預(yù)緊力[6]，P代表在機(jī)架上的工作載荷。

作用在機(jī)架上的力形成一封閉力系[7]，在此基礎(chǔ)上，將慣性力引入到所研究的運(yùn)動系統(tǒng)中，可以建立動力學(xué)平衡方程如下：

Mx+Cx+Kx=P(t)+N+Q

(1)

式中，M—液壓啟閉機(jī)機(jī)架的質(zhì)量矩陣；x—加速度矢量；C—機(jī)架的阻尼矩陣；K—剛度矩陣；N—非線性外力項(xiàng)矢量；Q—邊界約束反作用矢量。

在此基礎(chǔ)上，忽略外部阻尼與載荷條件，對液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型計(jì)算，其表達(dá)式為：

Mx+Kx=0

(2)

同時，根據(jù)彈性體的自由振動理論將振動分解為一系列簡單的簡諧振動，其對應(yīng)的正弦函數(shù)方程表達(dá)式如下：

(3)

依據(jù)上述過程分析出液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)特征值，即得到液壓機(jī)機(jī)架的一般狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。

1.2.3液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

在上述液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是通過仿真分析獲得材料在整個設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的合理分布而得到最佳設(shè)計(jì)方案，從而得到材料在整個設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的合理分布。解決優(yōu)化問題，關(guān)鍵在于建立正確的優(yōu)化目標(biāo)，預(yù)先設(shè)置邊界條件，因?yàn)橐簤簡㈤]機(jī)在工作過程中，其底座需要固定在地面上，以防止其在工作過程中發(fā)生大幅度改動，因此需要對底座進(jìn)行固定約束，將其限制在X、Y、Z3個方向，以限制結(jié)構(gòu)單元的自由度?；谏鲜龇治鰧⒁簤簷C(jī)機(jī)身的質(zhì)量最小和第一階固有頻率最大作為目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式如下：

minf=αminM-βmaxω0

(4)

式中，α、β—加權(quán)系數(shù)。

ANSYS環(huán)境下數(shù)值優(yōu)化過程如圖2所示。

圖2 ANSYS環(huán)境下數(shù)值優(yōu)化過程

依據(jù)上述計(jì)算建立該機(jī)身的尺寸優(yōu)化模型，在實(shí)際對框架結(jié)構(gòu)組合過程中，為防止液壓啟閉機(jī)工作時機(jī)身的結(jié)合面上出現(xiàn)間隙，安裝機(jī)架時必須給液壓機(jī)一定的預(yù)緊力，以此完成基于ANSYS的液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)對比

為了驗(yàn)證提出方法的性能，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，首要任務(wù)是選取實(shí)驗(yàn)對象。選取新疆吐魯番某電站中用于尾水閘門操作的液壓啟閉機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對象。液壓啟閉機(jī)為長桿液壓油缸，通過短拉桿與閘門相連接，容量為5000/2000kN，工作行程為7m，可現(xiàn)場操作或遠(yuǎn)程操作。該啟閉機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表1為此次實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到的液壓啟閉機(jī)，應(yīng)用本次研究的方法對該液壓啟閉機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。并為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，也采用了文獻(xiàn)[1]中的100MN液壓鍛造機(jī)預(yù)緊組合式機(jī)架的有限元分析方法、文獻(xiàn)[2]中的大型液壓機(jī)機(jī)架鑄造工藝數(shù)值模擬方法對該實(shí)驗(yàn)液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對比本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后的最大應(yīng)力、結(jié)構(gòu)最大位移、結(jié)構(gòu)重量與結(jié)構(gòu)振動固有頻率，以驗(yàn)證本文的研究方法是否有效。

2.1 最大應(yīng)力對比

采用本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后，啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 最大應(yīng)力對比

分析圖3可知，經(jīng)本文研究的方法優(yōu)化后的機(jī)架最大應(yīng)力值，較兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后的應(yīng)力值低，說明本文研究的優(yōu)化方法改善了機(jī)架的受力分布。

2.2 結(jié)構(gòu)最大位移對比

采用本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)的最大位移情況見表2。

表2 結(jié)構(gòu)最大位移情況對比

分析表2可知，此次研究的優(yōu)化方法優(yōu)化后機(jī)架結(jié)構(gòu)的位移情況明顯少于傳統(tǒng)方法，說明該方法能夠改善機(jī)架結(jié)構(gòu)的位移情況。

2.3 結(jié)構(gòu)自重對比

用本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)自重情況對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)自重情況對比

由圖4可知，此次研究的優(yōu)化方法優(yōu)化后自重比傳統(tǒng)方法的自重少，說明此次研究的方法能夠減少結(jié)構(gòu)重量，從而能夠降低機(jī)架成本。

2.4 結(jié)構(gòu)振動固有頻率對比

采用本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)振動固有頻率對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 振動固有頻率對比

由圖5可知，此次研究的方法優(yōu)化后的液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的固有頻率有所提高，相比傳統(tǒng)方法優(yōu)化優(yōu)化效果較為顯著。

綜上所述，此次研究的基于ANSYS的液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法較傳統(tǒng)的100MN液壓鍛造機(jī)預(yù)緊組合式機(jī)架的有限元分析方法、大型液壓機(jī)機(jī)架鑄造工藝數(shù)值模擬方法優(yōu)化效果好。不僅降低了啟閉機(jī)機(jī)架的最大應(yīng)力，還改善了結(jié)構(gòu)位移情況與振動固有頻率，并且降低了液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)重量。原因是，此次研究的方法應(yīng)用了ANSYS軟件建立了液壓啟閉機(jī)機(jī)架有限元分析模型，對液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)模態(tài)分析，然后對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，從而提高了啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化效果。

3 結(jié)語

本文從理論上說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)過程，然后利用ANSYS軟件中的高級優(yōu)化方法對某一具體實(shí)例進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。然后設(shè)計(jì)了一個基于ANSYS的液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此次研究的方法的有效性。優(yōu)化后的液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和材料的利用率都有所提高，結(jié)構(gòu)更加合理，達(dá)到了優(yōu)化目的，對液壓啟閉機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。但是由于研究時間的限制，此次研究的優(yōu)化方法還存在一定的不足，應(yīng)采取相應(yīng)措施防止其頻率交叉，避免發(fā)生共振，這一部分是后續(xù)重點(diǎn)研究的內(nèi)容。