葉南海，何 韻*，施奇佳，鄧 鑫，毛 億，2，戚一男，2

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.泰富重工制造有限公司，湖南 湘潭 411202)

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基于參數(shù)化的散料輸送機(jī)械快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

葉南海1，何 韻1*，施奇佳1，鄧 鑫1，毛 億1，2，戚一男1，2

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.泰富重工制造有限公司，湖南 湘潭 411202)

為了解決散料輸送機(jī)械的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化過(guò)程中存在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、方案優(yōu)化過(guò)程慢等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出一套針對(duì)散料輸送機(jī)械的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái).以某公司斗輪機(jī)構(gòu)的斗子和輪體為例，首先建立了參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模型；然后基于參數(shù)化的原理利用有限元分析軟件建立多目標(biāo)優(yōu)化分析模型，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性；最后將參數(shù)化設(shè)計(jì)與參數(shù)化分析優(yōu)化模塊進(jìn)行高度集成，搭建完成快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)，用戶可通過(guò)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)的交互界面輸入?yún)?shù)得到所需要的產(chǎn)品.工程實(shí)踐表明，該快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)散料輸送機(jī)械的系列化開(kāi)發(fā)具有較好的應(yīng)用前景.

參數(shù)化；散料輸送機(jī)械；設(shè)計(jì)與分析；多目標(biāo)優(yōu)化；快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

散料輸送機(jī)械在港口、礦山等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了越來(lái)越廣泛地重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)散料輸送機(jī)械進(jìn)行了CAD/CAE方面的研究[1-2].最常見(jiàn)的是以實(shí)現(xiàn)輕量化為目的，運(yùn)用有限元分析[3]，疲勞強(qiáng)度分析[4]，動(dòng)力學(xué)仿真等相關(guān)知識(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5].然而由于散料輸送機(jī)械的組成零件繁多，零部件之間關(guān)聯(lián)緊密，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析修改以及尺寸參數(shù)調(diào)整的工作量較大，尤其涉及到產(chǎn)品的優(yōu)化時(shí)，往往會(huì)因?yàn)檠邪l(fā)周期過(guò)長(zhǎng)，而延誤生產(chǎn)及產(chǎn)品交付周期.

本文開(kāi)發(fā)一套基于參數(shù)化的散料輸送機(jī)械快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)[6-7]，以斗輪機(jī)構(gòu)中斗子與輪體為例，首先依靠已知的設(shè)計(jì)目標(biāo)和工況，建立參數(shù)化三維模型和有限元分析模型，得出可供快速修改的三維實(shí)體模型和工程圖以及斗子和輪體負(fù)載狀況下的力學(xué)性能；然后根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，以符合產(chǎn)品強(qiáng)度剛度等力學(xué)性能的要求為前提，針對(duì)斗輪機(jī)構(gòu)中斗子和輪體產(chǎn)品性能進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化；最終集成各個(gè)模塊進(jìn)行快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)搭建與封裝，達(dá)到了高精、高效完成產(chǎn)品系列化開(kāi)發(fā)的目的.

1 快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

該快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括參數(shù)化設(shè)計(jì)、參數(shù)化分析、基于多目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及平臺(tái)封裝等關(guān)鍵技術(shù)，具體的開(kāi)發(fā)流程圖如圖1所示.

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)選擇

在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中三維建模軟件的發(fā)展特別快，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了非常便利的工具.INVENTOR是一款非常適用于大型鋼結(jié)構(gòu)工程機(jī)械快速建模的軟件，能方便地檢查裝配過(guò)程中造成的干涉問(wèn)題；該軟件由AUTODESK公司開(kāi)發(fā)，能與常用的二維制圖軟件AutoCAD進(jìn)行無(wú)縫鏈接，生成的DWG格式工程圖用AutoCAD查看時(shí)不會(huì)有圖元缺失，并且工程圖與三維數(shù)模鏈接能同時(shí)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，保證了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的時(shí)效性和完整性.本文選用INVENTOR軟件作為專家系統(tǒng)中建立參數(shù)化三維數(shù)模和二維工程圖的軟件平臺(tái)，并以斗輪機(jī)構(gòu)中輪體和斗子為例進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)[8-9].

圖1 快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)自上而下的設(shè)計(jì)理念構(gòu)建模型總體框架，框架的建立是以所有零部件的定位和裝配信息為基礎(chǔ)，模型在簡(jiǎn)單明了的同時(shí)還必須保證其完整性，尤其是關(guān)鍵的參數(shù)信息，能對(duì)后期整體三維數(shù)模的尺寸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生重要地影響.所有子屬零部件的建立過(guò)程中都將利用INVENTOR的衍生功能將框架文件衍生進(jìn)來(lái)，并依托框架來(lái)建立三維模型，由于每個(gè)零部件都已經(jīng)依托框架完成了定位，可以省去繁瑣的裝配過(guò)程，大大節(jié)省了時(shí)間.如圖2參數(shù)化流程圖所示，通過(guò)修改框架的參數(shù)，可以使相關(guān)聯(lián)零部件的模型與工程圖隨之聯(lián)動(dòng)，因此參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠避免大量的重復(fù)工作，提高工作效率，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化開(kāi)發(fā)提供有力保障.

圖2 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圖

2.3 斗子與輪體的參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟就是建立框架，一個(gè)框架的好壞直接影響到后期參數(shù)驅(qū)動(dòng)的效果.按照參數(shù)化設(shè)計(jì)的要求建立斗輪輪體和斗子子部件的框架，如圖3、圖4所示.然后依托框架建立各自的三維數(shù)模，保證與框架完全相關(guān)聯(lián).后期通過(guò)與模型相關(guān)聯(lián)的EXCEL文件來(lái)進(jìn)行參數(shù)修改，但由于該修改過(guò)程過(guò)于繁瑣，當(dāng)參數(shù)過(guò)多時(shí)易產(chǎn)生混淆造成人為的錯(cuò)誤，因此本文所建立的專家系統(tǒng)選擇通過(guò)VB來(lái)建立操作平臺(tái)，如圖5所示.基于該操作平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)改變，完成產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì).

圖3 斗輪輪體框架

圖4 斗子子部件框架

圖5 改變控制參數(shù)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸

3 參數(shù)化分析技術(shù)

3.1 參數(shù)化分析軟件平臺(tái)選擇

本文選取功能強(qiáng)大的ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行有限元分析，主要利用該軟件的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析功能來(lái)獲取本文后期優(yōu)化所需的數(shù)據(jù).由ANSYS自帶的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言APDL建立的有限元分析模型同樣是基于參數(shù)化思想，通過(guò)該軟件平臺(tái)的參數(shù)化程序，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)三維數(shù)模的參數(shù)化、網(wǎng)格劃分的參數(shù)化、材料定義的參數(shù)化、載荷和邊界條件的參數(shù)化等.利用APDL語(yǔ)言，通過(guò)修改程序參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)修整時(shí)的及時(shí)性，便于下一步的優(yōu)化工作.

3.2 斗子與斗輪的參數(shù)化分析

通過(guò)APDL語(yǔ)言編程建立斗輪機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件斗子和輪體的參數(shù)化有限元模型，并進(jìn)行了分析，部分結(jié)果如圖6～圖9所示.由靜力學(xué)分析的結(jié)果得知，應(yīng)力最大值多出現(xiàn)在斗子同輪體的銜接處，與斗數(shù)的變化無(wú)關(guān).且增加輪體直徑會(huì)增大輻板條根部應(yīng)力，但是增大輪體直徑，可以分散應(yīng)力集中的區(qū)域，使應(yīng)力最大區(qū)域向輪體外緣轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在輪體輻板中間的折線部分，緩解了輻條根部的應(yīng)力集中.由模態(tài)分析結(jié)果得知：斗子的第6階模態(tài)整體振動(dòng)較大，且最大振動(dòng)位移集中在鉸接處，此處如果產(chǎn)生共振會(huì)破壞連接孔，易影響斗子的使用壽命.輪體的第6階模態(tài)振型，主要位移集中于輪體的副側(cè)環(huán)圈梁，固有頻率如果過(guò)小，會(huì)引發(fā)輪體的較大抖動(dòng)，破壞斗子與輪體的連接平衡，影響機(jī)械性能，造成較大的機(jī)器動(dòng)載.這些結(jié)果就是后期優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)變量選擇的參考依據(jù).

圖6 斗輪機(jī)構(gòu)斗子的應(yīng)力云圖

圖7 斗輪機(jī)構(gòu)輪體的應(yīng)力云圖

圖8 斗子第6階振型

圖9 輻條輪體第6階振型

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

4.1 多目標(biāo)優(yōu)化

對(duì)于散料輸送機(jī)械的優(yōu)化需要同時(shí)滿足兩個(gè)或者多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)需求，而且所需要滿足的目標(biāo)之間往往是負(fù)相關(guān)，很可能此消彼長(zhǎng)，很難在方案中取舍，因此采用多目標(biāo)優(yōu)化方法來(lái)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，具體的多目標(biāo)優(yōu)化方法有統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法、主要目標(biāo)函數(shù)法、協(xié)調(diào)曲線法、分層目標(biāo)法等，結(jié)合本文的研究對(duì)象和優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，以及ANSYS的優(yōu)化特點(diǎn)故選擇分層目標(biāo)法，即首先確定以第一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再在求解集中進(jìn)一步以第二優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行第二層優(yōu)化選擇.

4.2 斗子多目標(biāo)優(yōu)化

4.2.1 斗子多目標(biāo)優(yōu)化模型建立

1)斗子優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

根據(jù)設(shè)計(jì)原理和工作需要，選取斗子的后部側(cè)板板厚、斗底圓弧板厚、開(kāi)口挖掘板板厚、挖掘側(cè)板板厚、斗底圓弧板弧半徑、斗子挖掘點(diǎn)定位角度、開(kāi)口寬度、斗體后部寬度、斗身過(guò)渡段寬度作為設(shè)計(jì)變量，變量涵蓋了斗子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能影響的關(guān)鍵參數(shù).

2)斗子設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)

基于斗子的功能需求及前面的分析結(jié)果，選取的優(yōu)化目標(biāo)為斗子的最大等效應(yīng)力和斗子第6階模態(tài)的固有頻率.

3)斗子優(yōu)化約束條件

斗子優(yōu)化的第1個(gè)約束條件是斗子在工作條件下要能夠滿足斗容設(shè)計(jì)需求.由于斗子的鋼板材料為Q345，第2個(gè)約束條件是密度為7 850×103kg/m3.此外，輪體材料在1.5倍安全系數(shù)條件下應(yīng)滿足最大等效應(yīng)力SEQV≤345 MPa，斗子的綜合變形USUM≤5 mm.

4.2.2 斗子的優(yōu)化求解及其結(jié)果分析

選擇子空間迭代法進(jìn)行優(yōu)化，指定優(yōu)化步數(shù)為10.以斗子的最大等效應(yīng)力和頻率為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的數(shù)值變化及基于優(yōu)化數(shù)據(jù)建立的斗子模型如圖10～圖12所示.

優(yōu)化步數(shù)

通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到優(yōu)化計(jì)算解，觀察第10步最優(yōu)化解，與初始設(shè)計(jì)各項(xiàng)值進(jìn)行比較，初始157.35 MPa的最大平均應(yīng)力減至132.87 MPa，而所關(guān)心的斗子第6階固有頻率由104.1 Hz穩(wěn)定在128．0 Hz，符合設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)的綜合需要.

圖11 基于優(yōu)化求解參數(shù)建立的斗子模型

圖12 基于優(yōu)化求解參數(shù)的斗子工作應(yīng)力云圖

4.3 輻條輪體多目標(biāo)優(yōu)化

4.3.1 輻條輪體多目標(biāo)優(yōu)化模型建立

1)輪體優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

輻條輪體為發(fā)散圓環(huán)均布結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量主要受板材厚度、型材截面尺寸、箱形梁設(shè)計(jì)尺寸的影響.輻條輪體的固有頻率及振型，也與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān).選擇輪體板材厚度、箱型梁及型材尺寸和輻條的搭接位置參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，能夠滿足以結(jié)構(gòu)質(zhì)量和固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì).

2)輪體設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)之前分析描述，優(yōu)化目標(biāo)為輪體的質(zhì)量和第6階模態(tài)的固有頻率.

3)輪體優(yōu)化約束條件

輪體優(yōu)化的約束條件主要為輪體在工作條件下能夠滿足強(qiáng)度和剛度需求，由于輪體的選料為Q345，密度為7 850×103kg/m3，輪體材料在1.5倍安全系數(shù)條件下應(yīng)滿足最大等效應(yīng)力SEQV≤345 MPa，輪體的綜合變形USUM≤2 mm.

4.3.2 輪體的優(yōu)化求解及其結(jié)果分析

選擇子空間迭代法進(jìn)行優(yōu)化，指定優(yōu)化步數(shù)為10.對(duì)以固有頻率和質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)的輪體進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的數(shù)值變化及基于優(yōu)化數(shù)據(jù)建立的輪體模型如圖13～圖15所示.

優(yōu)化步數(shù)

圖14 基于優(yōu)化參數(shù)建立的輻條輪體模型

圖15 基于優(yōu)化求解參數(shù)的輪體第6階振型

根據(jù)優(yōu)化程序，在優(yōu)先固有頻率優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，再計(jì)算出質(zhì)量最優(yōu)解.依據(jù)第10步數(shù)據(jù)得出的多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)而設(shè)計(jì)的輻條輪體，強(qiáng)度和形變均滿足設(shè)計(jì)要求，并達(dá)到質(zhì)量較輕、固有頻率相對(duì)較高的效果.在第6階固有頻率提高到24.1 Hz，強(qiáng)度、剛度都符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，輻條輪體整體質(zhì)量由優(yōu)化前的2.99 t，優(yōu)化后至2.32 t，輪體的整體質(zhì)量減少了22.7%，優(yōu)化結(jié)果顯著.出于斗輪機(jī)整體平衡結(jié)構(gòu)的機(jī)理，斗輪機(jī)構(gòu)的特殊位置需要尾部配重來(lái)平衡，減少重量對(duì)于整機(jī)的平衡性能具有重大意義.

5 快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)搭建

首先通過(guò)VB搭建平臺(tái)的交互界面，獲取用戶輸入的總體設(shè)計(jì)參數(shù)信息；再根據(jù)散料輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，預(yù)先設(shè)計(jì)好相關(guān)公式以自動(dòng)生成相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)；隨后可根據(jù)用戶的需求對(duì)產(chǎn)品子部件的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以滿足產(chǎn)品系列化開(kāi)發(fā)的要求；因參數(shù)化設(shè)計(jì)、參數(shù)化有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等模塊已高度集成在快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)里，所以用戶也可以根據(jù)不同需要分別選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行輸出，得到相應(yīng)的產(chǎn)品資料.圖16～圖19為部分以斗子和輪體為例的工作界面.

圖16 總體參數(shù)輸入界面

圖17 斗子子部件參數(shù)輸入界面

圖18 輪體參數(shù)輸入界面

圖19 優(yōu)化界面

6 結(jié) 論

本文開(kāi)發(fā)了一整套針對(duì)散料輸送機(jī)械的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)VB搭建平臺(tái)，集成了基于INVENTOR的參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于APDL語(yǔ)言的參數(shù)化有限元分析和多目標(biāo)優(yōu)化，并以某公司實(shí)際產(chǎn)品為例，很好地完成了參數(shù)化設(shè)計(jì)及分析優(yōu)化任務(wù)，達(dá)成了高效率高準(zhǔn)確地解決復(fù)雜工程問(wèn)題的目的，對(duì)該類型產(chǎn)品的系列化開(kāi)發(fā)，具有較好的參考價(jià)值.

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YE Nan-hai1, HE Yun1?,SHI Qi-jia1,DENG Xin1,MAO Yi1,2，QI Yi-nan1,2

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha,Hunan 410082, China; 2. Tidfore Engineering Co., Ltd., Xiangtan, Hunan 411202, China)

To meet the demands of today's market fast fine design and to solve the bulk material conveying machinery's problem of long cycle of product design and slow process of optimization, we developed a platform of rapid design system for bulk material conveying machinery. Taking the bucket and wheel body of a company's bucket wheel mechanism as an examples, we firstly built parametric dimension driven design models, and then used the finite element analysis software to establish multi-objective optimization models based on the principle of parametric, realized the quick optimization of product design, and improved the design efficiency and the accuracy of the complex steel structure. Finally, the parametric design and parametric analysis of the optimization module were highly integrated and the rapid design system platform was completed. Users can use the interactive interface of the rapid design system platform input parameters to get the product they need. The example has indicated that the rapid design system has good application prospects in the serialization development of bulk material conveying machinery.

parameterization;bulk material conveying machinery; design and analysis; multi-objective optimization; rapid design system

1674-2974(2016)10-0016-07

2015-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375154)，National Natural Science Foundation of China(51375154)

葉南海(1966-)，男，湖南常德人，湖南大學(xué)副教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:313318069@qq.com

TH132.4

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