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        基于Pro/Mechanica的振動(dòng)臺(tái)板優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2016-05-12 01:18:36湯樂軍鄒永明呂震宇
        現(xiàn)代礦業(yè) 2016年3期
        關(guān)鍵詞:臺(tái)板激振器筋板

        湯樂軍 鄒永明 呂震宇

        (南京梅山冶金發(fā)展有限公司)

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        基于Pro/Mechanica的振動(dòng)臺(tái)板優(yōu)化設(shè)計(jì)

        湯樂軍鄒永明呂震宇

        (南京梅山冶金發(fā)展有限公司)

        摘要以振動(dòng)放礦機(jī)的振動(dòng)臺(tái)板為例,以Pro/Mechanica軟件為有限元分析工具,通過靜力分析和全域敏感度分析,完成了振動(dòng)臺(tái)板鋼材耗用的優(yōu)化設(shè)計(jì),為縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、減少鋼材消耗、降低企業(yè)生產(chǎn)成本提供參考。

        關(guān)鍵詞Pro/Mechanica靜力分析全域敏感度分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

        振動(dòng)放礦機(jī)是一種替代重放礦和閘門放礦的裝置,安裝于溜井底部,在慣性激振器(激勵(lì)電機(jī))的作用下,通過振動(dòng)臺(tái)板,將溜井中的礦石輸送至礦車,具有結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn),是一種礦山放礦裝車的理想設(shè)備,已被國(guó)內(nèi)多數(shù)礦山采用。本研究以振動(dòng)放礦機(jī)的振動(dòng)臺(tái)板為例,在完成原始產(chǎn)品模型的Pro/E 建模、靜力分析、敏感度分析[1-2]等工作的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品重量?jī)?yōu)化,以期在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,減小鋼材消耗,降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。振動(dòng)放礦機(jī)(圖1)通常由振動(dòng)臺(tái)板(圖2)、機(jī)架(圖3)等組成,臺(tái)板上按裝有慣性激振器,機(jī)架上安裝有彈性元件。振動(dòng)臺(tái)板為鋼板加焊接型鋼的結(jié)構(gòu),臺(tái)面下方焊有安裝激振器的底座,慣性激振器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力。振動(dòng)臺(tái)板兩側(cè)板用角鋼焊牢,與機(jī)架上部周圍焊接的角鋼配合作用,作為安裝平面的1個(gè)約束,用于限制減振橡膠平移。彈性元件一般采用減振橡膠,安裝于振動(dòng)臺(tái)面與機(jī)架之間起貯能、減振的作用。機(jī)架是由型鋼焊接而成的金屬結(jié)構(gòu)件。

        圖1 振動(dòng)放礦機(jī)

        2振動(dòng)臺(tái)板靜力學(xué)分析

        2.1產(chǎn)品材料參數(shù)

        材料性能是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析必不可少的基本數(shù)據(jù),由于振動(dòng)臺(tái)板均由金屬材料焊接制成,遵循2個(gè)假設(shè),即均勻假設(shè)和各項(xiàng)同性假設(shè)。均勻假設(shè)認(rèn)為材料內(nèi)部所有的點(diǎn)均具有相同的彈性性質(zhì);各項(xiàng)同性假設(shè)則認(rèn)為材料內(nèi)部任意點(diǎn)在各方向上具有相同的彈性性質(zhì)。本研究確定的材料相關(guān)參數(shù)見圖4。

        圖2 振動(dòng)臺(tái)板

        圖3 機(jī) 架

        圖4 材料參數(shù)設(shè)置

        2.2載荷設(shè)置

        根據(jù)振動(dòng)放礦機(jī)的使用工況,確定振動(dòng)臺(tái)板的受力主要包括溜井礦石壓于振動(dòng)臺(tái)板產(chǎn)生的壓強(qiáng)(P)和激振器產(chǎn)生的額定激振力(F),如圖5所示。

        經(jīng)計(jì)算,得P=2.37 MPa,F(xiàn)=100 kN,據(jù)此設(shè)置

        圖5 振動(dòng)臺(tái)板的受力情況

        的礦石對(duì)振動(dòng)臺(tái)板的壓強(qiáng)(P)以及激振器產(chǎn)生的額定激振力(F)分別如圖6、圖7所示。

        將重力加速度在x、y2個(gè)方向分別設(shè)置分量,合成的重力加速度G=9 800 mm/s2,其中:Gy=9 800 mm/s2×cos15°=9 466.07 mm/s2;Gx=9 800 mm/s2×sin15°=2 536.43 mm/s2,x、y2個(gè)方向的重力加速度分量設(shè)定如圖8所示。

        2.3約束設(shè)置

        根據(jù)實(shí)際工況,確定了振動(dòng)臺(tái)板背面的角鋼內(nèi)側(cè)為約束面,如圖9所示。

        圖6 礦石對(duì)振動(dòng)臺(tái)板的壓強(qiáng)設(shè)置

        圖7 額定激振力設(shè)置

        圖8 重力加速度分量設(shè)置

        圖9 振動(dòng)臺(tái)板的約束面設(shè)置

        2.4靜力分析結(jié)果檢視

        完成載荷、約束的相關(guān)設(shè)定后進(jìn)行了靜力分析,可知在壓強(qiáng)(P)的作用下,臺(tái)板上部?jī)啥隧旤c(diǎn)出現(xiàn)了274.5 MPa的應(yīng)力,絕大部分的應(yīng)力在137 MPa以下;振動(dòng)臺(tái)板由于受到激振力的作用,中間激勵(lì)電機(jī)處出現(xiàn)了約1 mm的變形,而上部?jī)啥隧旤c(diǎn)處出現(xiàn)了最大為2.8 mm的變形。對(duì)此,可在2個(gè)最大變形的位置焊接1個(gè)斜筋,可有效減小變形量和應(yīng)力。

        3振動(dòng)臺(tái)板全域敏感度分析

        3.1全域敏感度分析設(shè)置

        在“類型(Type)”欄內(nèi)選中“全域敏感度分析(Global Sensitivity)”,并以上述靜力學(xué)分析結(jié)果為基礎(chǔ),在“分析(Analyses)”欄內(nèi)選中“Two_Static”,“變量(variable)”定義的3個(gè)尺寸分別為面板、橫筋板及豎筋板的厚度,具體設(shè)置見圖10。

        3.2全域敏感度分析結(jié)果檢視

        為縮短計(jì)算時(shí)間,在進(jìn)行敏感度分析時(shí)簡(jiǎn)化了模型,去除了角鋼,以中間面代替體單元,約束、載荷保持不變,如圖11所示。

        由各筋板厚度與臺(tái)板重量的關(guān)系曲線可知,各筋板及臺(tái)板厚度對(duì)臺(tái)板重量的影響處于線性狀態(tài),各筋板及臺(tái)板厚度在拐點(diǎn)位置以后,增加各筋板及臺(tái)板厚度對(duì)減少臺(tái)板應(yīng)力的作用越來越小,為對(duì)臺(tái)板材料消耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可能。

        圖10 全域敏感度分析設(shè)置

        圖11 全域敏感度分析簡(jiǎn)化模型設(shè)置

        4振動(dòng)臺(tái)板最優(yōu)化分析

        4.1振動(dòng)臺(tái)板最優(yōu)化分析設(shè)置

        振動(dòng)臺(tái)板的最佳化分析的定義是以最大應(yīng)力(“mass_stress_vm”)為目標(biāo),以臺(tái)板重量(原臺(tái)板重量3.25 t)為設(shè)計(jì)限制(目標(biāo)值小于2.5 t),以各筋板厚度為優(yōu)化變量,如圖12所示。

        圖12 最優(yōu)化分析設(shè)置

        4.2振動(dòng)臺(tái)板最優(yōu)化分析結(jié)果檢視

        在計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的過程中,通過圖表、云圖及最優(yōu)化變形動(dòng)畫,可發(fā)現(xiàn)每次Pro/Mechanica優(yōu)化過程,經(jīng)過約數(shù)小時(shí)的計(jì)算,完成了最優(yōu)化分析,在選擇了“留住最優(yōu)化形狀時(shí)”后,再次查閱臺(tái)板面板和筋板尺寸時(shí),發(fā)現(xiàn)面板和縱筋板厚度變小,而橫筋板厚度變大(圖13),符合常規(guī)設(shè)計(jì)思維和理論。

        圖13 最優(yōu)化結(jié)果檢視(數(shù)值部分)

        5結(jié)語

        基于Pro/Mechanica軟件,對(duì)振動(dòng)放礦機(jī)的振動(dòng)臺(tái)板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),但由于受到計(jì)算機(jī)性能的影響,本研究?jī)H以筋板厚度為設(shè)計(jì)變量,以應(yīng)力分布為目標(biāo),以重量為設(shè)計(jì)限制進(jìn)行了優(yōu)化分析。若在計(jì)算機(jī)硬件條件允許時(shí),也可選擇其他設(shè)計(jì)變量(如筋板之間的開檔距離)、設(shè)計(jì)目標(biāo)(如變形量)、設(shè)計(jì)限制(如應(yīng)力分布)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外,該臺(tái)板還可進(jìn)行模態(tài)分析,依據(jù)臺(tái)板的固有頻率,在確保振幅的條件下,充分利用臺(tái)板的共振頻率選擇轉(zhuǎn)速合適的慣性激振器(激勵(lì)電機(jī)),以減少功率消耗。

        參考文獻(xiàn)

        [1]萬啟超.結(jié)構(gòu)、熱、運(yùn)動(dòng)分析基礎(chǔ)與典型范例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

        [2]應(yīng)錦春.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

        (收稿日期2015-10-19)

        湯樂軍(1970—),男,工程師,210041 江蘇省南京市西善橋。

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