斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

任裕鋒

（湖南長重機(jī)器股份有限公司，長沙 410201）

斗輪堆取料機(jī)的俯仰結(jié)構(gòu)由斗輪、前臂架、門柱架、平衡架和拉桿等構(gòu)件組成，具有自重大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)；同時(shí)，受到斗輪堆取料機(jī)工作環(huán)境的影響，對俯仰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等特性提出了嚴(yán)格要求。為了更好地滿足礦料或貨物的連續(xù)裝卸要求，并且達(dá)到降低使用成本的目的，需要建立斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的有限元模型，在模型分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的不斷改良。在機(jī)械設(shè)備建模方面，UG軟件具有操作簡單、功能豐富等特點(diǎn)，本文使用UG NX12.2 軟件建立斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，將模型文件再導(dǎo)入到HyperMesh10.0 中，得到有限元模型并進(jìn)行分析。

1 斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)有限元模型的構(gòu)建

1.1 幾何清理

本文使用UG 三維建模軟件構(gòu)建斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的模型。考慮到俯仰結(jié)構(gòu)具有板殼數(shù)量多、精密程度高等特點(diǎn)，需要通過幾何清理保證網(wǎng)格劃分時(shí)的連續(xù)性，提高建模質(zhì)量。在建立俯仰結(jié)構(gòu)的幾何模型后，以IGES 格式保存，并將模型文件導(dǎo)入到HyperMesh軟件中。利用HyperMesh 軟件對俯仰結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行清理，例如對模型的細(xì)節(jié)處加以完善；去除多余線條，簡化模型等。以縫隙為例，俯仰結(jié)構(gòu)的幾何模型中經(jīng)常會出現(xiàn)相鄰構(gòu)件之間存在較大縫隙的情況，可以使用HyperMesh 軟件中的幾何清理功能，對面進(jìn)行縫合；然后再調(diào)用該軟件中的surface 功能，把小的曲面合并成大的曲面，通過壓縮共享邊的方式消除縫隙，從而提高建模質(zhì)量。

1.2 單元選擇

俯仰結(jié)構(gòu)的主要材料為鋼板，根據(jù)有限元理論從HyperMesh 軟件中選擇殼單元Shell63 模擬工字型界面，使用梁單元Belam44 模擬L 型鋼，使用質(zhì)量單元Mess21 模擬前臂架上的平臺與欄桿，使用桿單元Link8 模擬俯仰結(jié)構(gòu)前、后拉桿。彈性殼單元Shell63 的每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)有6 個(gè)自由度，可同時(shí)承受面內(nèi)載荷與法向載荷。這里以Shell63 單元為例，俯仰結(jié)構(gòu)中的Shell63 單元滿足以下條件。

在俯仰結(jié)構(gòu)中應(yīng)力比較集中的區(qū)域，不得使用低階三角形單元，優(yōu)先考慮低階的矩形或正方形單元，在網(wǎng)格劃分后能夠保證模型的精確性。高階單元在反映真實(shí)曲面或曲線邊界等方面具有更加顯著的優(yōu)勢，但是計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低階單元。因此，在滿足計(jì)算精度要求的前提下，本文選用低階四邊形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。俯仰結(jié)構(gòu)局部無法使用低階四邊形單元的，使用三角形單元進(jìn)行過渡。

1.3 網(wǎng)格劃分

有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量決定了分析結(jié)果的可信度，精細(xì)的網(wǎng)格劃分是得到準(zhǔn)確求解結(jié)果的必要前提?；贖yperMesh 軟件的網(wǎng)格劃分方法有2 種，即自動劃分法和交互式劃分法。前者是通過預(yù)設(shè)的單元尺寸對已經(jīng)生成的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；后者則是靈活調(diào)整單元的布置密度，達(dá)到劃分網(wǎng)格目的[1]。本文對俯仰結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，同時(shí)應(yīng)用了2 種劃分方法。對于形狀比較規(guī)則的構(gòu)件采用自動劃分法，對于構(gòu)件之間的連接件采用交互劃分法。在確定網(wǎng)格劃分方法后，還要考慮網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密度等因素。

1.3.1 網(wǎng)格數(shù)量

網(wǎng)格數(shù)量主要影響計(jì)算量和準(zhǔn)確度，理論上來說網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度越高，但是相應(yīng)的計(jì)算量也會增加，需要更多的求解時(shí)間。因此，在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)，需要尋找一個(gè)臨界數(shù)量，在保證準(zhǔn)確度達(dá)到要求的前提下，最大程度上減少計(jì)算量。本文對俯仰結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用了比較2 次不同數(shù)量網(wǎng)格求解結(jié)果的方式，如果求解結(jié)果差異明顯，則繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，直到2 次求解結(jié)果相差不大時(shí)，說明當(dāng)前網(wǎng)格數(shù)量合理。經(jīng)過多次比較后，最終確定斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)模型中殼單元數(shù)量為49 400 個(gè)，梁單元數(shù)量為3 250 個(gè)，桿單元為5 個(gè)，剛性單元40 個(gè)，質(zhì)量單元200 個(gè)。

1.3.2 網(wǎng)格疏密度

結(jié)合斗輪堆取料機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行特點(diǎn)，不同位置所受應(yīng)力也有明顯差異，這就意味著該模型不同部位的網(wǎng)格密度也存在差異。對比來看，前臂架、平衡架處工字型腹板結(jié)構(gòu)較為簡單，受力均勻，這種位置用比較稀疏的網(wǎng)格即可；結(jié)構(gòu)吊耳及各個(gè)構(gòu)件的連接處應(yīng)力變化明顯，受力不均勻，這種位置必須使用密集網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的斗輪有限元模型如圖1 所示。

圖1 斗輪有限元模型

1.4 材料特性

斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)是由不同型號的鋼板、型鋼焊接形成，材質(zhì)主要有Q355 鋼和Q235 鋼2 種類型，俯仰結(jié)構(gòu)材料屬性見表1。

表1 俯仰結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

2 斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 俯仰結(jié)構(gòu)有限元分析方案

根據(jù)分析對象的不同，可以將俯仰結(jié)構(gòu)的靜力分析方案分為2 種：其一是將俯仰結(jié)構(gòu)看作一個(gè)整體進(jìn)行有限元分析；其二是將俯仰結(jié)構(gòu)拆分成若干個(gè)獨(dú)立部件，以每個(gè)獨(dú)立部件作為研究對象展開有限元分析。2 種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案一的優(yōu)點(diǎn)在于將銷軸連接看作接觸模擬，與實(shí)際情況更加吻合，缺點(diǎn)是需要在有限元模型中加入顯得銷軸和接觸，使模型變得更加繁瑣，計(jì)算量也進(jìn)一步增加。因此，本文選擇方案二進(jìn)行俯仰結(jié)構(gòu)的有限元分析。將斗輪結(jié)構(gòu)簡化成剛度較大的梁單元，從HyperMesh 軟件中選擇MPC184 剛性梁單元來模擬斗輪的重量和阻力，達(dá)到載荷傳遞的效果。

2.2 斗輪的載荷施加與邊界處理

斗輪的載荷由2 部分構(gòu)成，一部分是斗輪自身重量產(chǎn)生的自重載荷；另一部分是作用在輪體上的挖掘阻力載荷。在斗輪靜力分析時(shí)分別考慮正常工況和超載工況下的受力情況。挖掘阻力載荷作用于輪體料斗的外側(cè)邊緣位置，邊界條件為在輪體中心處施加完全位移約束，約束對象為所有構(gòu)件的自由度[2]。

2.3 輪體的靜力分析結(jié)果

如上文所述，斗輪采用全殼單元模擬，強(qiáng)度評價(jià)采用第四強(qiáng)度理論，觀察斗輪在正常挖掘阻力和超載挖掘阻力2 種工況下的等效應(yīng)力圖和位移圖，結(jié)果如下。

2.3.1 等效應(yīng)力方面

在正常挖掘阻力下，輪體結(jié)構(gòu)所受的最大等效應(yīng)力為37.5 MPa；在超載挖掘阻力下，輪體結(jié)構(gòu)所受的最大等效應(yīng)力為54.8 MPa。斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的主體部分為Q355 鋼材，容許應(yīng)力為177.5 MPa。對比可以發(fā)現(xiàn)，斗輪的最大等效應(yīng)力明顯低于容許應(yīng)力。

2.3.2 位移方面

在正常挖掘阻力下，輪體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大位移為3.11 mm；在超載挖掘阻力下，輪體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大位移為3.83 mm，并且位移主要出現(xiàn)在外邊緣處，這與挖掘阻力荷載的作用位置相符合。斗輪的直徑為5.5 m，位移值遠(yuǎn)低于斗輪直徑，這一數(shù)據(jù)表明輪體的剛度能滿足要求。

2.4 俯仰結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果

本文對斗輪堆取料機(jī)的俯仰結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。結(jié)合分析結(jié)果，能夠掌握俯仰結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部件（如臂架、門柱架、拉桿）的位移信息。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合臂架、平衡架等構(gòu)件的撓度值，可以進(jìn)一步求出俯仰結(jié)構(gòu)各個(gè)部件在靜力作用下的最大剛性位移，從而根據(jù)位移值判斷俯仰結(jié)構(gòu)的剛度是否達(dá)標(biāo)[3]。本文對俯仰結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí)，選擇了HyperView 軟件。由于該軟件與建模軟件HyperMesh 同屬于一家公司，由HyperMesh 生成的建模文件可以直接在HyperView 軟件中打開，解決了不兼容的問題。選擇ANSYS13.5 作為求解器，在Hyper－View 軟件中提取出俯仰結(jié)構(gòu)的單個(gè)部件并展開后處理。判斷后處理得到的計(jì)算結(jié)果，如果符合要求則結(jié)束本次靜力分析，如果不符合要求則返回施加載荷程序。俯仰結(jié)構(gòu)的靜力分析流程如圖2 所示。

圖2 俯仰結(jié)構(gòu)的靜力分析流程圖

俯仰結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果表明，俯仰結(jié)構(gòu)的最大軸向力為671.6 kN，最大軸向應(yīng)力為64.9 MPa。在水平狀態(tài)超載取料工況下，最大軸向應(yīng)力小于容許應(yīng)力（177.5 MPa），故俯仰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合要求。

3 斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 前臂架的優(yōu)化流程

為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)成型后還要針對產(chǎn)品的細(xì)節(jié)處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減輕損耗、節(jié)約成本、改善性能等效果。本文選擇斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)中的前臂架作為研究對象，探討結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。結(jié)合前臂架的主要功能和受力特點(diǎn)，初步確定從成本、強(qiáng)度、重量等方面進(jìn)行優(yōu)化?？晒┻x擇的優(yōu)化方法有2 種：一種是數(shù)學(xué)規(guī)劃法，其核心是在當(dāng)前設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，確定優(yōu)化方向，然后利用逼近函數(shù)不斷逼近最優(yōu)設(shè)計(jì)；另一種是優(yōu)化準(zhǔn)則法，其核心是選擇剛度、強(qiáng)度等作為優(yōu)化準(zhǔn)則，建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化的迭代公式，通過多次迭代后得到最優(yōu)參數(shù)，并根據(jù)最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。本文選擇優(yōu)化準(zhǔn)則法，并借助于Ansys 軟件中的Design Explorer 模塊完成多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化[4]。

在優(yōu)化前，俯仰結(jié)構(gòu)前臂架的強(qiáng)度存在一定余量，其主體結(jié)構(gòu)形式為“工”字型。這種結(jié)構(gòu)雖然能夠提供較強(qiáng)的承載力和穩(wěn)定性，但是重量較大。因此，本文以重量作為優(yōu)化方向，通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)讓俯仰結(jié)構(gòu)向輕量化方向改進(jìn)。優(yōu)化思路如下：在保證前臂架的強(qiáng)度、剛度均符合設(shè)計(jì)要求的前提下，向前臂架的上下翼緣和左右腹板均勻施加載荷，以翼緣和腹板厚度作為設(shè)計(jì)變量，以前臂架總重量作為優(yōu)化目標(biāo)，得出結(jié)構(gòu)在厚度方向上的最優(yōu)分布?；贏nsys 的前臂架優(yōu)化流程如圖3 所示。

圖3 基于Ansys 軟件的俯仰結(jié)構(gòu)前臂架優(yōu)化流程圖

3.2 輸入輸出參數(shù)的確定

在前臂架的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將設(shè)計(jì)變量作為輸入?yún)?shù)。這里共選擇了4 個(gè)設(shè)計(jì)變量，分別是上翼緣厚度（P1）、下翼緣厚度（P4）、左腹板厚度（P3）和右復(fù)板厚度（P7）。設(shè)計(jì)變量的初始值為P1=P4=15 mm，P3=P7=10 mm。輸出參數(shù)有2 個(gè)，分別是前臂架的最大等效應(yīng)力（P6）和模型總質(zhì)量（P5）。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

在確定優(yōu)化方案和輸入輸出參數(shù)后，使用Ansys軟件中的Design Explorer 模塊進(jìn)行前臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)置優(yōu)化條件為：群體規(guī)模10 000；交叉概率0.8，變異概率0.05；迭代次數(shù)500 次[5]。在施加載荷和約束時(shí)，在前臂架右側(cè)的軸銷孔處施加位移約束，在左側(cè)吊耳處施加拉桿拉力，其他附屬件則施加自重載荷。優(yōu)化前后輸入和輸出參數(shù)的對比結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后結(jié)果對比

由表2 數(shù)據(jù)可知，在不改變俯仰結(jié)構(gòu)前臂架最大等效應(yīng)力的前提下，前臂架的重量從原來的21 767 kg變?yōu)?8 240 kg，減輕了3 527 kg，重量減幅達(dá)到了16.2%，優(yōu)化效果明顯。進(jìn)一步對比優(yōu)化前后的等效應(yīng)力圖，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后前臂架的強(qiáng)度滿足要求，說明本次優(yōu)化方案達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

斗輪堆取料機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，由于自重較大會消耗更多的能量，再加上設(shè)備需要長時(shí)間連續(xù)作業(yè)，導(dǎo)致使用成本升高。因此，在保證斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度滿足安全作業(yè)需求的前提下，最大程度上減輕自身重量，能夠達(dá)到節(jié)能降本的效果。參照斗輪堆取料機(jī)的實(shí)體裝置，使用UG 模型建立仿真三維模型，然后在將模型文件導(dǎo)入HyperMesh 軟件中得到有限元模型。利用該軟件提供的功能模塊展開有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了俯仰結(jié)構(gòu)中前臂架的優(yōu)化方案。結(jié)果表明，在等效應(yīng)力相同的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的前臂架重量減少了3 527 kg，降幅達(dá)到了16.2%。優(yōu)化后，斗輪堆取料機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)的運(yùn)行能耗將會得到降低，節(jié)約了設(shè)備使用成本。