項菲菲,項忠珂,李 健,李 冰
(1.廣西工學(xué)院 機(jī)械工程系,柳州 545006;2.廣西工學(xué)院 鹿山學(xué)院,柳州 545006)
當(dāng)今眾多企業(yè)廣泛應(yīng)用ANSYS存在局限性,表現(xiàn)在于在產(chǎn)品設(shè)計后期對設(shè)計方案的改進(jìn)較為繁瑣,問題產(chǎn)生的根源在于其前處理建模功能有限,計算機(jī)接口技術(shù)將Pro/E杰出的圖形驅(qū)動功能和ANSYS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能完美的結(jié)合起來,使得兩者在汽車、航空航天等重裝備行業(yè)均得到了廣泛應(yīng)用,為設(shè)計工程師解決難題,體現(xiàn)了計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在CAD/CAE運(yùn)用方面的優(yōu)越性。
工作臺的外形尺寸為1200mm×695mm,筋板布置在工作臺底部中空區(qū)域。首先在縱向上布置兩條筋板,間距93mm,截面:53mm×17mm;橫向上跨度比較大,等距布置9條筋板,間距為98mm,截面同樣為53mm×17mm,然后再在工件安裝的主要位置(中央位置)加一對X型筋板,截面:53mm×15mm。如圖1(a)所示。
仿生設(shè)計學(xué)是在仿生學(xué)和設(shè)計學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科,很多生物體具有性能優(yōu)異、輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)形式。麥稈細(xì)小但可以支撐起大大的麥穗。它們都具有相同的中空、環(huán)形且?guī)в袏A層的結(jié)構(gòu)。文章仿造這種結(jié)構(gòu)在初級安裝面對應(yīng)的中間區(qū)域布置環(huán)形筋板。為方便加工,只設(shè)計兩種尺寸的環(huán)形筋板。六個滑塊安裝面間跨度較小,布置小圓環(huán),內(nèi)徑R1=75mm,截面為53mm×10mm;其他跨度較大的地方布置大圓環(huán),內(nèi)徑R2=85mm,截面也為53mm×10mm;此外增加對角筋板以增強(qiáng)環(huán)形筋板之間以及其和整體的聯(lián)系,截面為:53mm×15mm,如圖1(b)所示。
圖1 工作臺三維模型
通過接口將模型導(dǎo)入。編寫計算機(jī)接口程序,得到了接入接口的Pro/E菜單,將上述兩個模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析。
圖2 接口菜單欄
選取能較好的模擬實體塑性、蠕變、大撓度等的8節(jié)點Solid45號單元,以默認(rèn)6級精度自由劃分網(wǎng)格,得到工作臺的有限元模型??紤]到工作臺承受的是面載荷,而不是集中力,因此在工作臺的初級安裝面施加均布載荷P=0.3MPa,P主要由工件的重量和工作臺自重兩部分構(gòu)成,并且考慮的是承重量最大的情況;工作臺底部的六個滑塊安裝面與滑塊之間是剛性連接,施加全約束。工作臺的材料是HT250,材料性能參數(shù):彈性模量E=155GPa,泊松比μ=0.27,密度ρ=7340kg/m3。
圖3 工作臺應(yīng)變云圖
從分析結(jié)果看,變形量較大的區(qū)域正是筋板布置區(qū)域,傳統(tǒng)設(shè)計的最大變形量為6.481μm,工作臺質(zhì)量為415.5KG;仿生設(shè)計的最大變形量是5.826μm,工作臺質(zhì)量為412.7KG。這表明,筋板的布置方式對工作臺的變形有非常大的影響,仿生設(shè)計的工作臺以更少的耗材得到了更高的剛度,相對于傳統(tǒng)設(shè)計有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)企業(yè)要求,最大變形量在7μm下都是符合設(shè)計要求的,因此,我們以最大變形量作為一個約束指標(biāo),對仿生設(shè)計工作臺的筋板的形狀參數(shù)做進(jìn)一步的優(yōu)化以得到質(zhì)量更輕的工作臺。
仿生設(shè)計工作臺的筋板形狀參數(shù)有筋板高度H=53mm,大小圓環(huán)內(nèi)徑R1=75mm、R2=85mm,對角筋板寬度D1=15mm,環(huán)形筋板寬度D2=10mm共5個參數(shù)。根據(jù)各參數(shù)的重要性和對狀態(tài)變量影響的大小,舍去D1和D2這兩個參數(shù),并分組:H一組、R1和R2一組,采用分層優(yōu)化技術(shù)對這三個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4]。
H優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為:
Find 30≤H≤60 (根據(jù)結(jié)構(gòu)要求)
Min A(H) (為減小計算量,選用橫截面積,結(jié)果一樣)
s.t. MaxDis≤7μm (企業(yè)要求最大位移不大于7微米)
在得到H的最優(yōu)解后,更新到參數(shù)化模型,再對R1和R2進(jìn)行優(yōu)化,數(shù)學(xué)模型為:
Find R1≤95,R2≤115 (保證圓環(huán)不與滑塊安裝面干涉)
R1+R2≤195 (保證大小圓環(huán)間不干涉)
Min V(R1,R2)
s.t. MaxDis≤7μm
圖4 H的優(yōu)化過程
圖5 R1和R2的優(yōu)化過程
兩個優(yōu)化都采用零階近似算法,這是一種通用的函數(shù)逼近優(yōu)化算法,通過隨機(jī)搜索建立狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的逼近,求得全局極值,雖然優(yōu)化精度沒有一階算法高,但可以滿足工程需要,也更節(jié)省計算機(jī)資源。經(jīng)過30次的迭代得到ANSYS認(rèn)為的最優(yōu)解H*=41.791mm,R1、R2的優(yōu)化經(jīng)過15次的迭代得到最優(yōu)解R*1=35.396mm,R*2=55.919mm。
將優(yōu)化后的工作臺進(jìn)行靜力分析,發(fā)現(xiàn)其最大變形雖然較優(yōu)化前有所增加達(dá)到6.360μm,但還是小于傳統(tǒng)設(shè)計的6.481μm,而工作臺的質(zhì)量卻下降到了401.9KG,相對于傳統(tǒng)設(shè)計減少了3.27%,從而達(dá)到既減小質(zhì)量又保證剛度的要求。
圖6 優(yōu)化后的工作臺應(yīng)變云圖
表1 結(jié)果對比
此外,為了進(jìn)一步比較三個模型的動態(tài)性能,還對三個模型進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析主要用于確定機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性,主要是固有頻率和振型,同時也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ),如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析及譜分析等等。分析時選用的是Block Lanczos法,同樣選取Solid95號單元。結(jié)果表明,優(yōu)化后的工作臺的前5階固有頻率較傳統(tǒng)設(shè)計均有一定的提高,也就是說其抗震性能提高了。
表2 固有頻率比較(HZ)
1)分析結(jié)果顯示,優(yōu)化后的仿生結(jié)構(gòu)較按傳統(tǒng)方法設(shè)計的工作臺最大變形量減小和固有頻率提高的同時,重量也減輕了3.27%,抗振效果明顯,企業(yè)對此滿意;
2)用計算機(jī)接口程序?qū)⒃O(shè)計模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析的方法,大幅度提高了仿真效率。
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