閔慶新(華北油田天成實(shí)業(yè)有限公司飛達(dá)公司,河北 滄州 061000)
鄧杰文(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 100000)
為了適應(yīng)石油工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需求,必須發(fā)展大型生產(chǎn)機(jī)械。振動(dòng)篩是石油固控系統(tǒng)的主要設(shè)備之一,采用大型振動(dòng)篩可以提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本[1]。然而,大型振動(dòng)篩存在自身重量較大、振幅較低等問(wèn)題,直接影響實(shí)際生產(chǎn)效率。筆者采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浞治觯?duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析,對(duì)振動(dòng)篩的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,為大型振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)。
在進(jìn)行連續(xù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際優(yōu)化計(jì)算時(shí),一般采用變密度法作為其理論依據(jù)。所謂變密度法[2]就是假設(shè)一種密度存在變化且不是均勻的理想材料,采用有限元網(wǎng)格劃分的方法將結(jié)構(gòu)體離散為有限數(shù)量的網(wǎng)格單元,然后對(duì)各個(gè)網(wǎng)格單元的密度進(jìn)行數(shù)值附加,將附加到網(wǎng)格單元上的密度值作為計(jì)算變量,則有:
式中:Xe代表各個(gè)網(wǎng)格單元的相對(duì)密度;ρ0代表在計(jì)算域里的每個(gè)網(wǎng)格單元的附加密度值;ρ代表拓?fù)溆?jì)算變量。當(dāng)各個(gè)網(wǎng)格單元的相對(duì)密度Xe=1時(shí),說(shuō)明該單元內(nèi)存在材料,因此將對(duì)該單元不做刪除只做加減處理;當(dāng)Xe=0時(shí),說(shuō)明該單元不存在材料,則對(duì)該單元進(jìn)行刪除處理。通過(guò)上述的判斷方法對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行加減和刪除操作就完成了對(duì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)溥^(guò)程,此外在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí),應(yīng)該盡可能使材料的相對(duì)密度為0或1并且分布在計(jì)算域內(nèi)。
由于材料的相對(duì)密度只有0或1兩種數(shù)值,這就造成拓?fù)溆?jì)算變量ρ不存在連續(xù)性,因此對(duì)應(yīng)的導(dǎo)數(shù)方程在連續(xù)變量?jī)?yōu)化計(jì)算時(shí)是無(wú)法求解的。為使求解方程得以繼續(xù),須對(duì)方程進(jìn)行連續(xù)化[3]。
式中:Ke為單元?jiǎng)偠龋琋/m;K0為單元固有剛度,N/m;p為懲罰因子。
式中:C為柔順度;F為載荷矢量;K為位移矢量;D為變形位移矢量。
對(duì)連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)通常的計(jì)算目標(biāo)為柔順度最小,其中,柔順度數(shù)值為單元總應(yīng)變能數(shù)值大小,根據(jù)上述的計(jì)算目標(biāo),再將體積比作為約束條件,則有優(yōu)化計(jì)算的數(shù)學(xué)模型如式(4):求X =(X1,X2,…,Xn)T。
式中:V為結(jié)構(gòu)的幾何體積;V0為結(jié)構(gòu)計(jì)算域內(nèi)的幾何體積;V1為單元密度比Xmin小的部分幾何體積;f為冗余材料與計(jì)算域內(nèi)材料的體積比;Xmin與Xmax分別為單元密度的最大值與最小值。
振動(dòng)篩上安裝有2個(gè)電機(jī),電機(jī)內(nèi)各有1個(gè)質(zhì)量相等的偏心塊,工作時(shí)進(jìn)行同步反向旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生的離心力相等。在各瞬間位置上,離心力沿振動(dòng)方向的分力相加,而與振動(dòng)垂直方向的分力互相抵消。因此激振器只在振動(dòng)方向形成激振力,篩箱通過(guò)橡膠彈簧與機(jī)座架連接,使篩箱在激振力的作用下進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
有限元網(wǎng)格模型采用四面體與六面體混合網(wǎng)格劃分,部件的鏈接采用少量點(diǎn)約束算法進(jìn)行剛性鏈接,主要使用Rbe3-Hexa-Rbe3的焊接式鏈接以及 “綁定幾何體”接觸模式,有效地確保模型不會(huì)因?yàn)檫^(guò)多剛性鏈接而產(chǎn)生過(guò)剛。在模型結(jié)構(gòu)最小尺寸處應(yīng)該保證至少2個(gè)單元網(wǎng)格[4],網(wǎng)格情況如圖2,劃分完成后節(jié)點(diǎn)數(shù)為4034947個(gè),網(wǎng)格單元數(shù)為2399270個(gè)。
圖1 篩箱結(jié)構(gòu)
圖2 篩箱網(wǎng)格
振動(dòng)篩的箱體通過(guò)橡膠彈簧與機(jī)座支架連接,因此只需將篩箱上的8個(gè)橡膠彈簧與機(jī)座支架連接的端面進(jìn)行固定約束即可。根據(jù)設(shè)備實(shí)際材料進(jìn)行材料設(shè)置,材料參數(shù)如表1所示。
表1 設(shè)備材料參數(shù)
振動(dòng)篩在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí),其激振力為-70kN到70kN區(qū)間內(nèi)正弦變化,方向沿振動(dòng)方向。為了結(jié)合實(shí)際設(shè)備運(yùn)行情況,篩板上分布著物料,其重力分布為313.6N/m2。由于分析時(shí)考慮電機(jī)的重量,但不分析電機(jī)自身的形變,因此將電機(jī)考慮為一個(gè)重力作用于電機(jī)連接板上,電機(jī)重力為2402.96N。這樣去掉或者優(yōu)化不必要的網(wǎng)格,能夠大大提高計(jì)算效率。將電機(jī)作為質(zhì)量力添加約束如圖3所示。
由于該獨(dú)立分析將電機(jī)考慮為力,未考慮電機(jī)對(duì)梁的剛度影響,因此電機(jī)與支撐梁連接部分暫不考慮優(yōu)化。
圖4為支撐梁密度分布,深色區(qū)域說(shuō)明該位置存在優(yōu)化空間。圖5是拓?fù)溆?jì)算出滿足強(qiáng)度需求時(shí)的理想優(yōu)化結(jié)果,考慮到加工工藝限制,對(duì)電機(jī)正下方做掏空處理,最多4個(gè)優(yōu)化孔。
圖6為振動(dòng)篩整體優(yōu)化結(jié)果,可以看出電機(jī)支撐梁與電機(jī)的連接板可以進(jìn)行優(yōu)化,支撐梁下方計(jì)算結(jié)果和圖5結(jié)果相符。兩側(cè)的側(cè)板加固板有低密度區(qū)域,說(shuō)明該區(qū)域可以做優(yōu)化,計(jì)算結(jié)果表明在滿足強(qiáng)度條件的情況下加固板可以降低2mm厚度。
圖3 電機(jī)支撐梁約束情況
圖4 電機(jī)支撐梁的密度分布云圖
圖5 電機(jī)支撐梁的優(yōu)化結(jié)果圖
基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)原機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改調(diào)整,并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢查。
圖7、8分別為優(yōu)化后與優(yōu)化前的損傷云圖,圖中篩板和擋板不在著色范圍,損傷檢查只是針對(duì)圖6顯示的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化前的設(shè)備是已經(jīng)運(yùn)行設(shè)備,強(qiáng)度是符合要求的,因此只需要損傷情況和優(yōu)化前一致就說(shuō)明優(yōu)化后強(qiáng)度合格;其次,拓?fù)鋬?yōu)化是以強(qiáng)度為目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的,因此,如果強(qiáng)度不達(dá)標(biāo),優(yōu)化結(jié)果是無(wú)解的。優(yōu)化前后損傷數(shù)值變化范圍相同,且在橡膠彈簧處變化區(qū)域面積基本一致,因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。
由于該振動(dòng)篩工作時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在一個(gè)工作頻率。如果設(shè)備的固有頻率接近工作頻率,就會(huì)產(chǎn)生共振,將會(huì)影響設(shè)備壽命和產(chǎn)出噪聲。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn),振動(dòng)篩主要損壞位置在電機(jī)支撐梁,此時(shí)梁承受的靜力并未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度,因此對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行模態(tài)分析是必要的。通過(guò)該計(jì)算設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu),避免共振,提高設(shè)備壽命。圖9、10為振動(dòng)篩優(yōu)化前后的一階模態(tài)圖,提取前六階模態(tài)為設(shè)備的固有模態(tài),優(yōu)化前后對(duì)比可得圖11。
圖11優(yōu)化前后模態(tài)數(shù)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后固有模態(tài)明顯提高,能有效改善設(shè)備在啟停機(jī)過(guò)程中的共振現(xiàn)象。此外,優(yōu)化后設(shè)備重量降低67.61kg,約為設(shè)備總重量7.2%,在滿足生產(chǎn)強(qiáng)度需求的情況下,降低了設(shè)備的生產(chǎn)成本。
圖6 振動(dòng)篩整體優(yōu)化結(jié)果圖
圖7 振動(dòng)篩優(yōu)化前損傷云圖
圖8 振動(dòng)篩優(yōu)化后損傷云圖
圖9 振動(dòng)篩優(yōu)化前一階模態(tài)
圖10 振動(dòng)篩優(yōu)化后一階模態(tài)
1)基于變密度法對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,計(jì)算發(fā)現(xiàn)電機(jī)支撐梁和連接板有0密度區(qū)域,可以對(duì)該區(qū)域進(jìn)行材料去除處理,在側(cè)板加固板有低密度區(qū)域,將加固板厚度降低2mm。
2)對(duì)振動(dòng)篩強(qiáng)度計(jì)算發(fā)現(xiàn)設(shè)備損失云圖改進(jìn)前后變化不大,說(shuō)明優(yōu)化后的振動(dòng)篩強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)值。
3)通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的模態(tài)分析可以看出振動(dòng)篩固有頻率明顯提高,投入生產(chǎn)中能很好地改善啟停機(jī)過(guò)程的共振現(xiàn)象,降低設(shè)備因振動(dòng)疲勞產(chǎn)生的破壞。
圖11 優(yōu)化前后模態(tài)數(shù)值對(duì)比
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