項(xiàng)菲菲，項(xiàng)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）

0 引言

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(jì)后期對(duì)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)較為繁瑣，問(wèn)題產(chǎn)生的根源在于其前處理建模功能有限，計(jì)算機(jī)接口技術(shù)將Pro/E杰出的圖形驅(qū)動(dòng)功能和ANSYS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能完美的結(jié)合起來(lái)，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(jì)工程師解決難題，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在CAD/CAE運(yùn)用方面的優(yōu)越性。

1 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1 工作臺(tái)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)的外形尺寸為1200mm×695mm，筋板布置在工作臺(tái)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(duì)X型筋板，截面：53mm×15mm。如圖1（a）所示。

1.2 工作臺(tái)的仿生設(shè)計(jì)

仿生設(shè)計(jì)學(xué)是在仿生學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(jí)安裝面對(duì)應(yīng)的中間區(qū)域布置環(huán)形筋板。為方便加工，只設(shè)計(jì)兩種尺寸的環(huán)形筋板。六個(gè)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(duì)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(tái)三維模型

2 工作臺(tái)的有限元靜力學(xué)分析

通過(guò)接口將模型導(dǎo)入。編寫(xiě)計(jì)算機(jī)接口程序，得到了接入接口的Pro/E菜單，將上述兩個(gè)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(shí)體塑性、蠕變、大撓度等的8節(jié)點(diǎn)Solid45號(hào)單元，以默認(rèn)6級(jí)精度自由劃分網(wǎng)格，得到工作臺(tái)的有限元模型。考慮到工作臺(tái)承受的是面載荷，而不是集中力，因此在工作臺(tái)的初級(jí)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(tái)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(tái)底部的六個(gè)滑塊安裝面與滑塊之間是剛性連接，施加全約束。工作臺(tái)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(tái)應(yīng)變?cè)茍D

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(jì)的最大變形量為6.481μm，工作臺(tái)質(zhì)量為415.5KG；仿生設(shè)計(jì)的最大變形量是5.826μm，工作臺(tái)質(zhì)量為412.7KG。這表明，筋板的布置方式對(duì)工作臺(tái)的變形有非常大的影響，仿生設(shè)計(jì)的工作臺(tái)以更少的耗材得到了更高的剛度，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)企業(yè)要求，最大變形量在7μm下都是符合設(shè)計(jì)要求的，因此，我們以最大變形量作為一個(gè)約束指標(biāo)，對(duì)仿生設(shè)計(jì)工作臺(tái)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(tái)。

3 筋板形狀參數(shù)的優(yōu)化

仿生設(shè)計(jì)工作臺(tái)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(duì)角筋板寬度D1=15mm，環(huán)形筋板寬度D2=10mm共5個(gè)參數(shù)。根據(jù)各參數(shù)的重要性和對(duì)狀態(tài)變量影響的大小，舍去D1和D2這兩個(gè)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(duì)這三個(gè)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(jì)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(duì)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(guò)程

圖5 R1和R2的優(yōu)化過(guò)程

兩個(gè)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(guò)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(méi)有一階算法高，但可以滿足工程需要，也更節(jié)省計(jì)算機(jī)資源。經(jīng)過(guò)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(guò)15次的迭代得到最優(yōu)解R*1=35.396mm，R*2=55.919mm。

4 結(jié)果分析

將優(yōu)化后的工作臺(tái)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(jì)的6.481μm，而工作臺(tái)的質(zhì)量卻下降到了401.9KG，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)應(yīng)變?cè)茍D

表1 結(jié)果對(duì)比

此外，為了進(jìn)一步比較三個(gè)模型的動(dòng)態(tài)性能，還對(duì)三個(gè)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(dòng)特性，主要是固有頻率和振型，同時(shí)也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析及譜分析等等。分析時(shí)選用的是Block Lanczos法，同樣選取Solid95號(hào)單元。結(jié)果表明，優(yōu)化后的工作臺(tái)的前5階固有頻率較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)均有一定的提高，也就是說(shuō)其抗震性能提高了。

表2 固有頻率比較(HZ)

5 結(jié)論

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(jì)的工作臺(tái)最大變形量減小和固有頻率提高的同時(shí)，重量也減輕了3.27%，抗振效果明顯，企業(yè)對(duì)此滿意；

2）用計(jì)算機(jī)接口程序?qū)⒃O(shè)計(jì)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。

[1] 秦東晨,梁穎,陳立平,等.六面頂壓機(jī)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2007,18(6):697-701.

[2] 江瑋,郁鼎文,馮平法.加筋板結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,(2):4-6.

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[6] 張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.