劉振林

摘 要：近年來，我國的經(jīng)濟(jì)正在快速的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的工業(yè)產(chǎn)業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展，同時，工業(yè)的發(fā)展也對于經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步有著積極地反作用，而作為工業(yè)領(lǐng)域中的重要施工設(shè)備，斗輪堆取料機(jī)在實(shí)踐中的使用頻率是相當(dāng)高的，其功能和作用對于工業(yè)生產(chǎn)的效率有著不可小覷的重要影響，實(shí)踐中，要想增強(qiáng)斗輪堆取料機(jī)輪體機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性、降低使用中的風(fēng)險，需要按照靜力學(xué)的研究方法來進(jìn)行探究，使用有限元分析軟件 ANSYS 的 APDL 語言設(shè)置了有限元仿真模型加以模擬，最后的結(jié)果顯示優(yōu)化后應(yīng)力分布適當(dāng)，最大應(yīng)力、應(yīng)變的數(shù)值都有所都減小，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計的目的，同時，其重量也有相應(yīng)的降低。這就顯示出主動臺車架使共振的情況消失了，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全以及穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機(jī)；斗輪體；結(jié)構(gòu)設(shè)計

前言：實(shí)踐中，作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要施工設(shè)備，斗輪堆取料機(jī)無疑是其中最為關(guān)鍵和重要的設(shè)施之一，它大范圍的在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，如港口、電力、煤炭、冶金等命脈行業(yè)，它作為一個體積較大的傳輸材料的設(shè)施，其工作的效率主要依靠于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)踐中，斗輪堆取料機(jī)是需要移動的餓，這種可移動的載體位于該機(jī)器的最下方，主要作用是支撐機(jī)器和機(jī)器的移動，所以，移動部位的安全和穩(wěn)定就顯得尤為重要，其對于整個機(jī)器的影響也至關(guān)重要。性對整臺機(jī)器的安全運(yùn)行是十分重要的。本文作者研究的主要目的在于優(yōu)化斗輪堆取料機(jī)斗輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計，為實(shí)踐中斗輪取料機(jī)的工作提供更加高效快捷以及安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

1概述斗輪取料機(jī)輪體結(jié)構(gòu)

1.1分析斗輪取料機(jī)輪體結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，斗輪堆取料機(jī)作為廣泛適用于工業(yè)領(lǐng)域的最重要設(shè)備之一，它憑借自身的功用，已然成為當(dāng)今世界規(guī)模最為龐大的工業(yè)原料處置的完整成套設(shè)施，由于火力發(fā)電廠、港口碼頭、鋼鐵和礦山等散料運(yùn)輸體系的快速進(jìn)步，斗輪堆取料機(jī)正朝著自動化、系列化、大型化的角度發(fā)展，當(dāng)前，它已經(jīng)大量的在礦山、電力、建材以及化工等方面得到廣泛的使用。它主要包括輪機(jī)構(gòu)、前臂架、平衡機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、門座架和行走機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成，在這些組成部分之中，斗輪機(jī)構(gòu)是該設(shè)備完成堆取料工作的主要部位，它處于前懸臂的最前方位置，其質(zhì)量對于機(jī)器的整體重量與平衡有著最重要的影響。所以，為了使斗輪體的的質(zhì)量能夠更輕，就必須要對該部位進(jìn)行合理的設(shè)計和創(chuàng)新，這樣才可以使整機(jī)向著輕量化方向發(fā)展。而本文所討論的優(yōu)化設(shè)計即如何促進(jìn)產(chǎn)品朝輕量化方向發(fā)展的措施，而針對如何增加產(chǎn)品的功效和質(zhì)量，較少對于材料的耗費(fèi)，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率都有不可小覷的重要意義和指導(dǎo)作用。在以往的斗輪堆取料機(jī)的設(shè)計中，大部分還要依附于設(shè)計工作者的經(jīng)驗(yàn)，沒有先進(jìn)理論的指導(dǎo)，使得設(shè)計的準(zhǔn)確性大打折扣。因此，在分析傳統(tǒng)斗輪堆取料機(jī)的基礎(chǔ)上，使用ANSYS 參數(shù)化設(shè)計以及APDL對斗輪堆取料機(jī)斗輪體加以有限元分析，并以有限元分析法作為基礎(chǔ)，用斗輪體的整體體積作為目標(biāo)函數(shù)對斗輪體結(jié)構(gòu)尺寸加以優(yōu)化設(shè)計，以期使斗輪體向輕量化方向發(fā)展。

1.2對APDL 的斗輪體進(jìn)行限元分析

在斗輪體的優(yōu)化設(shè)計之前，第一必須要運(yùn)用APDL的參數(shù)功能構(gòu)建斗輪體的參數(shù)化有限元模型。因?yàn)槎份嗴w形狀多樣同時結(jié)構(gòu)較不固定的，對斗輪體的有限元的分析僅僅將斗輪體的整體受力狀況納入考慮之中，所以，為使斗輪體參數(shù)化模型順利構(gòu)建，必須對斗輪體的細(xì)節(jié)部分加以簡化處置，也就是簡化多種對斗輪體整體強(qiáng)度影響不大的特點(diǎn)。選擇斗輪體參數(shù)化建模的 DQL1、DQL3 和 DQL5這三種基本參數(shù)為本次有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量，在輸入初始值有關(guān)參數(shù)后，程序便形成建模。因?yàn)槎份嗴w是薄壁狀態(tài)，建模時可使用殼單元或?qū)嶓w單元，然而相對來說，使用殼單元加以結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計能夠減少大量的計算，同時在計算彎矩時，實(shí)體單元在厚度問題上的單元層數(shù)很少，計算結(jié)果會有很大的誤差，比不上殼單元的計算結(jié)果精準(zhǔn)，因此，在斗輪體建模過程中使用shell281 單元，同時定義殼體的厚度為 0.01米。之后，給斗輪體參數(shù)化模型的材料屬性下定義以完成斗輪體參數(shù)化模型的建立。

2探究斗輪體優(yōu)化設(shè)計

2.1優(yōu)化設(shè)計概述

優(yōu)化設(shè)計作為探究結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計方案的手段，它的主要原理在于利用組建優(yōu)化模型，使用多項(xiàng)優(yōu)化措施，利用達(dá)成設(shè)計目標(biāo)條件下的迭代運(yùn)算，最后得出目標(biāo)函數(shù)的的最大最小數(shù)值，進(jìn)而獲取最優(yōu)的設(shè)計方法。優(yōu)化設(shè)計從內(nèi)涵上來講是又分析到評估再到修正的系統(tǒng)，需要對多種設(shè)計序列加以有限元分析，并加以優(yōu)化參數(shù)的評價，不斷的趨近于最優(yōu)設(shè)計序列。在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，使用優(yōu)化設(shè)計可以增加產(chǎn)品的設(shè)計效率以及質(zhì)量，確保產(chǎn)品的設(shè)計向合理化方向發(fā)展。在優(yōu)化設(shè)計中，常常使用到數(shù)學(xué)模型，這種模式大多數(shù)情況被歸結(jié)為在符合一定的約束條件下，選擇設(shè)計變量，使目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小或最大值。斗輪體優(yōu)化設(shè)計選取斗輪體參數(shù)化模型 DQL1、DQL3 和 DQL5 這三種大小的參數(shù)當(dāng)做設(shè)計變量。為了使斗輪體達(dá)到輕量化目標(biāo)，需要選擇斗輪體的總質(zhì)量當(dāng)做優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，然而因?yàn)槎份嗴w是由同樣的鋼材焊接形成的，其密度很均勻，所以在接下來的優(yōu)化設(shè)計中選擇斗輪體的總體積 VOLUM 作為目標(biāo)函數(shù)。不但如此，選取的斗輪體還應(yīng)該符合強(qiáng)度的要求。

2.2優(yōu)化設(shè)計方法的選擇

在 APDL 的優(yōu)化設(shè)計方案基礎(chǔ)之上，一般有兩種方法，包括零階方法和一階方法。零階方法是優(yōu)化設(shè)計中使用頻率最高的方案，利用使用狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的的趨近，能有效的處置大部分工程問題。零階方法大致分為單步運(yùn)行法、隨機(jī)法和子問題法等；一階方法采用偏導(dǎo)數(shù)，也就是使用狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的一階偏導(dǎo)數(shù)的趨近，這種方案的精準(zhǔn)度是很高的，特別是在用于狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)改變較大，同時設(shè)計空間也相對較大的位置。斗輪體的優(yōu)化設(shè)計使用零階方法中的子問題法，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的整體評價。這種方案能夠被描述為不斷升級的零階方法，它能夠把因變量要及時狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)，利用最小二乘法擬合的趨近數(shù)值所代替，來限制最小化問題改變?yōu)椴捎昧P函數(shù)的無限制問題。

2.3優(yōu)化后主動臺車架動力學(xué)分析

斗輪堆取料機(jī)在正常運(yùn)行時，因?yàn)楹芏嗖淮_定的因素會促使主動臺車架被一定的動載荷所影響。如果其受到的動載荷頻率和主動臺車架的特定頻率數(shù)值相近的時候，就很容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，因此導(dǎo)致較高的動應(yīng)力。共振可以引起啃軌、脫軌等高風(fēng)險問題的出現(xiàn)，導(dǎo)致機(jī)器的強(qiáng)度遭到破壞、還可能出現(xiàn)較大程度的變形；其細(xì)節(jié)位置也很統(tǒng)一出現(xiàn)疲勞破壞。對整個機(jī)器的日常操作產(chǎn)生不利影響，也會減少機(jī)器的使用壽命，為了確保優(yōu)化后的主動臺車架的安全性和穩(wěn)定性，確保機(jī)器有最大限度的使用壽命，就亟需對優(yōu)化后的主動臺車架加以模態(tài)分析，目的在于測段其根本頻率，查詢分析產(chǎn)生共振的可能性，如果發(fā)現(xiàn)共振則必須對結(jié)構(gòu)加以完善。

3結(jié)語

為了對斗輪堆取料機(jī)斗輪體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，加強(qiáng)對工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計以及提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，本文運(yùn)用有限元分析法以及數(shù)學(xué)模型分析法等進(jìn)行有關(guān)研究，優(yōu)化了主動臺車架應(yīng)力、減輕設(shè)備的整體質(zhì)量，對優(yōu)化后涉筆加以模態(tài)分析，以期為提高斗輪堆取料機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙小偉，衛(wèi)良保.基于 APDL 的橋式起重機(jī)主梁快速優(yōu)化設(shè)計[J].太原科技大學(xué)學(xué)報，2012（1）：52-56.

[2]徐萬鑫，高真營 . 大型臂式斗輪堆取料機(jī)輪壓均衡性分析及應(yīng)用[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2013 （6）： 40 -43.