盛友藝，張亮,孫建旭，潘野，張秀娟

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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立式壓罩機(jī)主機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

盛友藝1，張亮2,孫建旭2，潘野2，張秀娟2

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

根據(jù)工廠實(shí)際需要，把立式壓罩機(jī)主機(jī)架由四立柱結(jié)構(gòu)改為C框架結(jié)構(gòu)，采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性分析，得出了圓弧拉筋半徑、壓板厚度、側(cè)板高度和側(cè)板間距對(duì)結(jié)構(gòu)的水平、豎直方向最大位移和最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律; 并在此基礎(chǔ)上，采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對(duì)C框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了符合用戶要求的C框架結(jié)構(gòu)，這對(duì)壓裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用.

C框架結(jié)構(gòu); 彈塑性有限元分析；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

目前貨車軸承密封罩的壓裝設(shè)備多采用四立柱式主機(jī)架，該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效保證壓頭和軸承壓裝模具的良好對(duì)中性，同時(shí)使整個(gè)壓罩機(jī)具有良好的剛性，避免壓罩機(jī)在壓裝過程中發(fā)生過大變形[1-3].但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)檢修的軸承由上一檢修工位到達(dá)壓裝工位時(shí)，需要由操作工人將軸承推入壓裝位置，如圖1(a)所示；壓裝完成后，再由操作工人將軸承由壓裝位置取出，送到下一檢修工位.四立柱式主機(jī)架限制了工人的操作空間，降低了工作效率.

據(jù)此，本文采用C框架結(jié)構(gòu)主機(jī)架來代替四立柱式結(jié)構(gòu)[4]，此時(shí)，密封罩壓裝的操作流程如圖1(b)所示，并采用有限元分析軟件ABAQUS[5]對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上，分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主機(jī)架豎向和水平方向位移的影響規(guī)律，最后采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對(duì)C框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得出較佳的符合用戶要求的主機(jī)架結(jié)構(gòu).

(a)

(b)

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 初始方案

根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)要求和密封罩壓罩機(jī)的空間尺寸要求，C框架結(jié)構(gòu)的初始方案設(shè)計(jì)如圖2(a)所示，采用45號(hào)鋼板焊接而成，板厚為10 mm，其他幾何尺寸如圖2(b)所示.

(a)三維實(shí)體模形

(b)二維尺寸圖

針對(duì)此方案，采用ABAQUS有限元分析軟件，進(jìn)行了彈塑性分析，其分析模型如下：?jiǎn)卧愋蜑槿S實(shí)體八節(jié)點(diǎn)單元.材料為45號(hào)鋼，其彈性模量為205 GPa，泊松比為0.3.由于結(jié)構(gòu)的上下對(duì)稱性，本文只對(duì)上半部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，因此，只在上壓裝面施加載荷，在下半部結(jié)構(gòu)側(cè)板底部施加約束.根據(jù)《鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規(guī)則》[6]規(guī)定，密封罩的最大壓裝力為30 kN，而C框架結(jié)構(gòu)的壓裝面積為0.065 m2，因此，本文在壓裝上端面施加了沿豎直方向(Y軸)向上的均布力，其數(shù)值為0.46MPa.有限元分析模型如圖3所示.

(a)有限元分析模型 (b)垂直方向位移

(c)水平方向位移 (d)等效應(yīng)力云圖

圖3 初始方案的有限元分析結(jié)果

有限元分析結(jié)果表明：C框架結(jié)構(gòu)的上半部在垂直方向的位移較大，其中，壓裝上端面在垂直方向的位移最大，這造成壓裝上端面向上傾斜，增大了壓頭與壓裝上端面的垂直度誤差，同時(shí)，必將減小壓裝深度，使得密封罩與軸承外圈牙口無法正確咬合，加大了密封罩松脫的可能性.在水平方向上，C框架結(jié)構(gòu)立板上部后側(cè)向內(nèi)凹陷，前側(cè)向外敞開，中間下半部向外鼓出，變形嚴(yán)重超差，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很差.從等效應(yīng)力云圖可知，C框架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力對(duì)稱分布在兩側(cè)立板上，而且在兩側(cè)板與上下兩壓裝面交界處有顯著的應(yīng)力集中.

1.2 改進(jìn)方案

針對(duì)上述問題，本文在上下壓裝端面和C框架結(jié)構(gòu)的結(jié)合處安裝三角拉筋，其有限元分析結(jié)果如表1所示.比較該方案與初始方案的分析結(jié)果可知：安裝三角拉筋后，C框架結(jié)構(gòu)上半部在水平、豎直方向的位移明顯減小，這是由于安裝的三角拉筋增大了C框架結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有了很大的提高.但是比較分析結(jié)果中的等效應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)安裝三角拉筋，雖然增大了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但是應(yīng)力集中現(xiàn)象依然存在，而且危險(xiǎn)位置的應(yīng)力值增大，因此，本文將三角拉筋改變?yōu)閳A弧形拉筋，圓弧半徑為100mm，并保留C框架結(jié)構(gòu)的支撐角鋼，對(duì)該方案進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明：圓弧形拉筋可以有效減小最大等效應(yīng)力，但是，垂直方向和水平方向的的最大位移卻增大了.因此，在此基礎(chǔ)上，本文又把C框架結(jié)構(gòu)的板厚分別改為12、14、16mm進(jìn)行了有限元分析，其分析結(jié)果如表1所示.

從表1所示有限元分析結(jié)果可以看出：板厚增加后，C框架結(jié)構(gòu)的最大位移和最大等效應(yīng)力等明顯減小了.但是，從等效應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)板上部的水平位移由向外突出改為向內(nèi)突出，而且在與上下兩壓裝面交界處的應(yīng)力集中仍然存在，結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性仍有待提高，這也將在一定程度上影響密封罩壓裝精度.此外，增大板厚使得結(jié)構(gòu)的重量增大，這將提高結(jié)構(gòu)的材料成本而且使得結(jié)構(gòu)過于笨重.

表1 改進(jìn)方案有限元分析結(jié)果比較

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析結(jié)果，考慮到C框架結(jié)構(gòu)的重量問題，本文把其板厚定為14mm，圓弧拉筋半徑為100mm，首先采用有限元法分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)最大位移和最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律，由于各結(jié)構(gòu)參數(shù)相互耦合，且為不連續(xù)變量，其優(yōu)化模型無法用函數(shù)式來表達(dá).因此，本文采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱[7]對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，找出較優(yōu)的C框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù).

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響規(guī)律

(1)改變圓弧拉筋半徑

對(duì)圓弧拉筋半徑分別為100、110和120mm的C框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，其有限元分析結(jié)果如表2所示.增大圓弧拉筋半徑后，垂直方向的最大位移沒有顯著變化，水平方向上的位移先顯著減小再增大；但是，C框架結(jié)構(gòu)的上端部仍有向外敞開的變形，中部有向內(nèi)凹的變形，結(jié)構(gòu)剛度仍有待提高.此外，最大等效應(yīng)力變化不顯著，這說明增大圓弧拉筋半徑，對(duì)減小立板中部應(yīng)力集中作用較小.

表2 不同圓弧拉筋半徑的有限元分析結(jié)果比較

(2)改變壓板厚度

對(duì)壓板的板厚分別為28、29、30、31、33mm的C框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，有限元分析結(jié)果如表3所示.從有限元分析的結(jié)果可以看出：隨著壓板板厚的增加，水平方向和垂直方向的最大位移逐漸減小，最大等效應(yīng)力數(shù)值發(fā)生波動(dòng)，這主要是由于結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象.

表3 不同壓板厚度的有限元分析結(jié)果比較

(3)改變側(cè)板高度

對(duì)側(cè)板高度分別為265、255和245mm的C框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，有限元分析結(jié)果如表4所示.側(cè)板高度對(duì)垂直方向的最大位移沒有影響，但是水平方向的最大位移隨著側(cè)板高度的增加明顯減小，但最大等效應(yīng)力增大了.

表4 不同側(cè)板高度的有限元分析結(jié)果比較

(4)改變兩側(cè)板間距

對(duì)側(cè)板間距分別為240、250和260mm的C框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，有限元分析結(jié)果如表5所示.隨著側(cè)板間距的增加，垂直方向的和水平方向的最大位移先明顯下降后增加；最大等效應(yīng)力也逐漸增加，應(yīng)力集中更加顯著了.

表5 不同側(cè)板間距的有限元分析結(jié)果比較

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從上述分析結(jié)果可以看出：影響C框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)比較多，而且各結(jié)構(gòu)參數(shù)互相影響、相互耦合，無法采用一個(gè)連續(xù)函數(shù)表達(dá)式來進(jìn)行表達(dá)，因此，本文采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱[7]對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化原理如下[8]：輸入樣本矢量為xk=(xk1,xk2,…,xkn)，實(shí)際輸入樣本矢量為yk=(yk1,yk2,…,ykn).理想輸出向量為tk=(tk1,tk2,…,tkn)，計(jì)算輸出的誤差為：

其中：j為輸出層中第j個(gè)神經(jīng)元.

網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的變化為：

其中：wij為某一層第i個(gè)神經(jīng)元與其相鄰的下一層第j個(gè)神經(jīng)元之間的連接權(quán)值；t為學(xué)習(xí)順序；Δ為權(quán)值改變量.

權(quán)值矩陣wij可以用誤差導(dǎo)數(shù)矢量d和輸入矢量p進(jìn)行修正：

其中：lr為學(xué)習(xí)速率.

算法采用動(dòng)量規(guī)則來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值

Δwij=mc·Δwij+(1-mc)lr·d(i)·p(j)

其中：mc表示動(dòng)量常數(shù).

采用該優(yōu)化方法對(duì)C框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化模型如下：

經(jīng)過50次迭代后，優(yōu)化后C框架結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：板厚為14mm，圓弧拉筋半徑R=110mm，壓板板厚為30mm，兩側(cè)板間距為218mm，上側(cè)板高度為350mm.最終方案的有限元分析結(jié)果：垂直方向最大位移是6.766E-02mm，水平方向最大位移是4.590E-02，最大等效應(yīng)力是1.756E+01MPa.從有限元分析結(jié)果可知：垂直方向和水平方向的最大位移和最大等效應(yīng)力較初始方案顯著降低，C框架結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度明顯增大，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有了很大提高，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯改善，而且危險(xiǎn)位置的應(yīng)力值大幅下降.

3 結(jié)論

由于目前貨車軸承立式壓罩機(jī)四立柱式主機(jī)架存在操作不便的缺點(diǎn)，本文采用C框架結(jié)構(gòu)來代替四立柱結(jié)構(gòu).應(yīng)用有限元法對(duì)初始方案進(jìn)行了彈塑性分析，發(fā)現(xiàn)其存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn).因此，采用有限元法得出各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(結(jié)構(gòu)板厚、圓弧拉筋半徑、壓板板厚、兩側(cè)板間距和上側(cè)板高度)對(duì)結(jié)構(gòu)垂直方向和水平方向最大位移和最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律：

(1)增大圓弧拉筋半徑可以顯著減小結(jié)構(gòu)水平方向最大位移，但是，過大的圓弧拉筋半徑反而使得水平方向最大位移增大，且最大等效應(yīng)力也增大；

(2)增大壓板厚度對(duì)垂直方向位移變化影響較小，但是可以降低水平方向的位移，由于應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力數(shù)值發(fā)生波動(dòng)變化；

(3)減小側(cè)板高度和增大側(cè)板間距可以顯著降低水平方向位移，但是，最大等效應(yīng)力顯著增大.各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)C框架結(jié)構(gòu)的影響是相互耦合的，因此，本文采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，得出了較優(yōu)的C框架結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)可以滿足用戶要求，并已經(jīng)被廠家采用.

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Optimal Design for Main Frame Structure of Vertical Press-Assemblage Machine for Sealed Cowlings

SHENG Youyi1,ZHANG Liang2,SUN Jianxu2,PAN Ye2,ZHANG Xiujuan2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

According to actual needs,the four-column structure is changed into C-shaped frame structure for a vertical press-assemblage machine of sealed cowlings.Using finite element analysis software ABAQUS, the elastic and plastic finite element analysis of the C-shaped frame structure is performed.The effect regulations of circular reinforcement radius,clamp thickness,curb height and curb space on the maximum horizontal and vertical displacements are obtained.The optimization design of the C-shaped frame structure is implemented using neural network of MATLAB toolbox.The optimization scheme of the C-shaped frame structure is obtained which accords with the requests of the users.

C-shaped frame structure;elastic and plastic finite element analysis;neural network;optimization design

1673-9590(2015)03-0052-05

2014-08-08

盛友藝(1964-),男，副教授,學(xué)士，主要從事軸承清洗設(shè)備的研究E-mail:shengyouyi@163.com.

A