郝 強(qiáng)，王 超

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

0 引言

移動(dòng)式滾筒翻堆機(jī)，由旋轉(zhuǎn)耙堆裝置、輸送裝置、電機(jī)帶傳動(dòng)系統(tǒng)裝置組成［1，2］。該機(jī)的工作過程是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成對(duì)翻堆機(jī)進(jìn)行操作控制。電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)耙堆軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)［3］，來模擬人工用釘耙由上而下的對(duì)物料堆進(jìn)行耙堆操作。

翻堆滾筒與葉片采用螺栓連接的方式連接，經(jīng)分析得知葉片受到最大的阻力是運(yùn)動(dòng)到水平位置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)受到料堆向下的阻力［4］。本文只研究葉片零件在這一阻力作用下零件的受力特性，以確定葉片零件的結(jié)構(gòu)尺寸，材料為不銹鋼。

絕大部分有限元分析軟件的幾何建模功能比較弱［5］，這些有限元軟件通常通過 IGES格式或者STEP格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而這樣做最大的弊端在于容易造成數(shù)據(jù)的丟失，因此常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間與精力進(jìn)行幾何模型的修補(bǔ)工作。使用Pro/E Mechanica恰好可以克服這一點(diǎn)，該軟件可以直接利用Pro/E的幾何模型進(jìn)行有限元分析［6］，降低了對(duì)網(wǎng)格劃分質(zhì)量的要求和限制，系統(tǒng)可以自動(dòng)收斂求解［7，8］。

1 葉片的有限元分析

1.1 模型基礎(chǔ)定義

在前期繪制的Pro/E的零件圖中進(jìn)入機(jī)械模擬應(yīng)用(mechanica)模式中，進(jìn)入有限元分析模塊后定義模型的材料屬性，Pro/E里面默認(rèn)的不銹鋼材料為SS(stainless steel)，其力學(xué)屬性為，密度:7.74×103kg/m3，泊松比:0.3，楊氏模量:193.053 GPa。

1.2 定義模型的約束條件

由于葉片與滾筒使用的螺栓連接，所以葉片零件分析時(shí)定義靠在筒壁上面為固定約束。葉片受到的最大阻力為葉片運(yùn)動(dòng)到水平位置時(shí)受到的料堆阻力為9×104N/m2。所以整個(gè)葉片受到的垂直壓力為144 N，受力區(qū)域是葉片上表面，故定義該載荷條件。

1.3 定義有限元分析

建立有限元分析所需要的條件之后定義受力分析，在這里我們進(jìn)行的是零件的靜力學(xué)分析。我們定義靜力學(xué)分析中包括剛才定義的約束和載荷，并且計(jì)算模型的應(yīng)力和位移量。

2 翻堆機(jī)葉片的敏感度分析

該部分的研究主要內(nèi)容是研究特定參數(shù)對(duì)模型特性的影響情況，即研究模型特定變化對(duì)于參數(shù)變化的靈敏程度。在葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)中選擇對(duì)受力較敏感的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析:葉片厚度t=4 mm、旋轉(zhuǎn)角度β=30°和葉片寬度b=32 mm。

2.1 厚度Thickness靈敏度分析

選擇葉片厚度尺寸為分析對(duì)象，參數(shù)變化范圍是3 mm～5 mm，顯示結(jié)果是施加在模型上最大的應(yīng)力。從結(jié)果中可以看出葉片厚度在3 mm～5 mm之間變化時(shí)，模型受到的最大應(yīng)力由103 MPa變化為62 MPa，隨著葉片越厚模型受到的應(yīng)力越小。并且厚度變化在2 mm時(shí)應(yīng)力變化了約40 MPa。

2.2 旋轉(zhuǎn)角度rotation angle靈敏度分析

選擇葉片與水平線的旋轉(zhuǎn)角度為分析對(duì)象，參數(shù)變化范圍是20°～40°，顯示結(jié)果是施加在模型上最大的應(yīng)力。從結(jié)果中可以得知葉片旋轉(zhuǎn)角度在20°～40°之間變化時(shí)，模型受到的最大應(yīng)力由76.5 MPa變化為63 MPa，隨著葉片旋轉(zhuǎn)角度越大模型受到的應(yīng)力大小并無規(guī)律變化。并且旋轉(zhuǎn)角度在該范圍內(nèi)變化時(shí)應(yīng)力變化了約13 MPa。

2.3 寬度width靈敏度分析

選擇葉片與水平線的旋轉(zhuǎn)角度為分析對(duì)象，參數(shù)變化范圍是30 mm～34 mm，顯示結(jié)果是施加在模型上最大的應(yīng)力。從結(jié)果中可以看出葉片旋轉(zhuǎn)角度在30 mm～34 mm之間變化時(shí)，模型受到的最大應(yīng)力由91 MPa變化為70 MPa，隨著葉片寬度越大模型受到的應(yīng)力并無規(guī)律性變化。并且寬度變化在4 mm時(shí)應(yīng)力變化了約20 MPa。

3 翻堆機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上文的分析我們得知在三個(gè)參數(shù)變化的過程中，分析結(jié)果中的最大應(yīng)力都沒有超過材料的許用應(yīng)力，但是如何能選擇一套參數(shù)既能保證零件的強(qiáng)度又能使零件的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，以節(jié)省制造成本和減少零件的質(zhì)量。本文將采用mechanica模塊提供的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析來解決這一問題。

葉片零件的優(yōu)化目標(biāo)是質(zhì)量最輕即最優(yōu)的厚度和寬度的尺寸組合，優(yōu)化的條件是模型上受到的最大應(yīng)力不大于100 MPa，以保證零件的工作強(qiáng)度。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算過程雖不可見但可以在結(jié)果輸出中選擇優(yōu)化的歷史結(jié)果，優(yōu)化的次數(shù)也是mechanica默認(rèn)的。軟件對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了9次，每次的目標(biāo)結(jié)果即質(zhì)量顯示在圖表上。三個(gè)參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果可以直接對(duì)Pro/E中的模型進(jìn)行更改，使零件的尺寸變成優(yōu)化后的相關(guān)尺寸。

4 研究結(jié)果

4.1 對(duì)于有限元分析的結(jié)論

通過結(jié)果顯示的窗口如圖1，可以看出葉片受到的最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片與靠壁的連接處為82.22 MPa，最大位移出現(xiàn)在葉片邊緣為0.061 9 mm。普通不銹鋼在150℃以下的許用拉應(yīng)力最小為117 MPa，所以設(shè)計(jì)的葉片結(jié)構(gòu)可以滿足工作要求。

圖1 有限元分析結(jié)果

4.2 對(duì)于敏感度分析的結(jié)論

通過三個(gè)參數(shù)靈敏度分析的結(jié)論分析可以得出:葉片厚度變化對(duì)零件整體受力影響較大;葉片旋轉(zhuǎn)角度變化對(duì)零件整體受力影響較小;葉片寬度變化對(duì)零件整體受力影響較小。

4.3 對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的參數(shù)使零件在質(zhì)量上得到減輕，通過提取軟件計(jì)算過程可知:在初始條件下零件模型的質(zhì)量為8.724 0×10-5kg，第4次的計(jì)算結(jié)果質(zhì)量為7.626 8×10-5kg，第8次的計(jì)算結(jié)果質(zhì)量為7.622 7×10-5kg。所以最后的計(jì)算結(jié)果即是第8次的計(jì)算結(jié)果(圖2)。

圖2 優(yōu)化信息的數(shù)據(jù)提取

在表中分別列出優(yōu)化前和優(yōu)化后的結(jié)果數(shù)據(jù)，表1為模型受力情況的結(jié)果參數(shù)，表2為模型的原始參數(shù)，通過兩個(gè)表來討論優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。

表1

表2

通過對(duì)比可以看出，優(yōu)化前后模型的參數(shù)變化不大，說明理論計(jì)算和前期的初定值較合理;優(yōu)化參數(shù)中變化較大的是葉片厚度參數(shù)，比初定值減少了21.5%，說明葉片的厚度可以減少到3.2 mm。優(yōu)化后的零件尺寸相比優(yōu)化前的尺寸得到減少，零件整體質(zhì)量得到減輕，降低了制造成本，從而提升了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

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