王 水，王敏其，黃龍振,王菡珠，高至愷， 湯重九，陳傳強

(1.五洋紡織機械有限公司，江蘇 常州 213100) (2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

經(jīng)編機中墻板是負責支撐經(jīng)編機的部件，其工作穩(wěn)定性關(guān)系到經(jīng)編機運行時是否平穩(wěn)。作用在墻板上的外載荷眾多，如梁架在上端面的固定載荷和軸孔中軸承載荷，工況較為復雜。

目前經(jīng)編機多屬于批量定制，其設(shè)計卻普遍采用借鑒老機型經(jīng)驗進行估計的方法，導致新機型不僅笨重，而且性能無法評估，預定的效果難以實現(xiàn)，樣機試制設(shè)計周期長，成本無法降低，因此需要引入新的設(shè)計方法。

當前有限元分析與優(yōu)化設(shè)計已廣泛應(yīng)用于機械產(chǎn)品的輕量化設(shè)計中。如李學忠[1]結(jié)合有限元拓撲優(yōu)化研究了某重型商用車平衡軸支架輕量化設(shè)計；趙云亮等[2]對折臂式隨車起重機動臂輕量化設(shè)計進行了研究。在經(jīng)編機設(shè)計領(lǐng)域，有限元設(shè)計在國內(nèi)屬于起步階段，朱志剛等[3]研究了經(jīng)編機牽拉裝置結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，建立了該機構(gòu)的剛?cè)狁詈咸摂M樣機的仿真模型，得到了運動過程中關(guān)鍵零件的等效應(yīng)力情況，優(yōu)化了不合理的設(shè)計；孫奎等[4]使用UG NASTRAN有限元軟件分析經(jīng)編機擺動臂并進行優(yōu)化設(shè)計，通過改變擺動臂主要設(shè)計參數(shù)，使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減輕了7.6%，從而有效提高了機構(gòu)的運行速度；曹彥[5]、李欣[6]等學者均結(jié)合有限元軟件ANSYS對各自所研究的零件進行優(yōu)化分析，并均達到預定輕量化優(yōu)化設(shè)計目標。由此可見，借助有限元仿真等計算機輔助分析軟件,不僅可提高設(shè)計效率,而且可提高材料利用率,降低能耗，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，已經(jīng)成為當下及未來進行輕量化設(shè)計的必然趨勢。

本文以某高速經(jīng)編機的墻板為設(shè)計對象，在滿足設(shè)計要求和零件強度的前提下，以減輕墻板質(zhì)量為設(shè)計目標，利用ANSYS創(chuàng)建墻體的有限元模型，針對其外殼厚度和筋板厚度這兩個重要參數(shù)進行優(yōu)化分析，得到改進的設(shè)計方案，為經(jīng)編機墻板的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 仿真優(yōu)化方案設(shè)計

就產(chǎn)品的設(shè)計階段而言，本文的優(yōu)化屬于詳細設(shè)計優(yōu)化，在滿足產(chǎn)品性能的前提下采用尺寸、形狀和自由形狀優(yōu)化技術(shù)改進結(jié)構(gòu),采用全因素分析的方法進行優(yōu)化試驗方案設(shè)計。

使用有限元軟件進行墻板優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到引起墻板結(jié)構(gòu)失效的相關(guān)載荷分布，從而確定校核墻板結(jié)構(gòu)的強度與剛度仿真方案并進一步進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。靜態(tài)分析包括以下幾個方面的內(nèi)容：1)結(jié)構(gòu)的強度是否滿足要求；2)校核結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，并為動力學分析等提供相應(yīng)數(shù)據(jù)；3)分析結(jié)構(gòu)在靜載荷下的結(jié)構(gòu)特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，并為其他方面的分析提供資料。

2 結(jié)構(gòu)建模及仿真分析

2.1 有限元建模

選用某高速經(jīng)編機機型的分段外墻板進行有限元分析，其模型圖如圖1所示。下端面為1 070mm×160mm，上端面為674mm×160mm，高度為524mm，外殼厚度為30mm，筋板厚度為25mm。墻板材料為Q235，質(zhì)量為235.1kg。

圖1 墻板模型圖

在對結(jié)構(gòu)進行分析的基礎(chǔ)上，對原經(jīng)編機墻板進行有限元靜態(tài)分析。為了簡化分析，不考慮其在裝配過程中與油箱連接的螺栓孔?？紤]到計算精度與計算時間的平衡，使用四面體網(wǎng)格劃分墻板模型，在存在軸孔的部位網(wǎng)格使用單元為5mm的細密網(wǎng)格，在其他部位網(wǎng)格使用單元為10mm的疏松網(wǎng)格。總共有91 298個節(jié)點，52 664個單元。墻板的材料選擇Q235，彈性模量為2.08E+11N/m2，泊松比為0.277，質(zhì)量密度為7 860kg/m3。根據(jù)其裝配后的正常工作情況，將墻板底面設(shè)置為固定約束。上端面施加壓力載荷，某高速經(jīng)編機的總質(zhì)量為5～6t，劃分到單個墻板支撐的總壓力大概為2×105N。軸孔處施加軸承載荷，大約為7 000N。

2.2 有限元分析

該墻板的靜力學分析結(jié)果如圖2～圖4所示。最小等效應(yīng)變?yōu)?.562×10-9mm/mm，最大等效應(yīng)變?yōu)?.257×10-4mm/mm，最大總變形δmax為0.130mm，最大等效應(yīng)力σmax為41.57MPa，小于許用應(yīng)力值120MPa，有很大的安全裕量，因此結(jié)構(gòu)上有較大的輕量化優(yōu)化的空間，可使優(yōu)化后的零件既能滿足材料強度安全又能達到零件減重的目標。本墻板的主要特征為外殼和筋板，因此選擇外殼厚度和筋板厚度作為優(yōu)化對象。

圖2 等效應(yīng)變云圖

圖3 優(yōu)化前的δmax變形云圖

圖4 優(yōu)化前的 σmax變形云圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真驗證

3.1 基于全因素試驗選定優(yōu)化方案

由于該經(jīng)編機墻板結(jié)構(gòu)特征因素較少，因此選擇直觀的全因素試驗方法，選取其外殼厚度(因素A)和筋板厚度(因素B)作為優(yōu)化因素進行優(yōu)化試驗，以最大位移δmax和最大應(yīng)力σmax為設(shè)計目標。其試驗因素水平表見表1，試驗結(jié)果見表2。

表1 試驗因素水平表

對表2的試驗數(shù)據(jù)進行單一因素下影響結(jié)果匯總處理，得到單一因素A和B對δmax和σmax的影響，試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表3，單因素影響趨勢圖如圖5和圖6所示。表3中K1行δmax下A列的值為表2中因素A在其因素水平1下所有δmax的和，K2、K3、K4同理，k1、k2、k3、k4行各值為K1、K2、K3、K4所對應(yīng)值均值。如果因素A 對δmax沒有影響，那么在因素A的水平分別取為k1、k2、k3、k4時δmax值應(yīng)當近似相等，但從表3中數(shù)據(jù)可以看出，實際上它們并不相等，說明因素A的水平變動對δmax存在影響，其余同理。然后根據(jù)極差R的大小確定影響因素的主次。由表3中極差值可以很明顯地看出,無論是δmax還是σmax，因素A均為主要影響因素。雖然因素A在k4的水平下σmax最大，但已經(jīng)超過了材料許用極限應(yīng)力值120MPa，故予以舍棄，所以A因素下k3所在水平為優(yōu)選水平，即因素A殼厚選定為第3水平的數(shù)值20mm，因素B同理選擇。最終選擇的優(yōu)選方案為A3B4，即因素A外殼厚度20mm，因素B筋板厚度10mm。

表2 試驗方案及結(jié)果

表3 試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果表

3.2 驗證優(yōu)化方案

優(yōu)化后的墻板經(jīng)有限元靜態(tài)分析后得到的云圖如圖7和圖8所示，其δmax和σmax數(shù)據(jù)對比見表4。可以看出，優(yōu)化后的墻板依然滿足使用條件，其最大等效應(yīng)力為88.82MPa，小于Q235的許用接觸應(yīng)力120MPa。經(jīng)計算，優(yōu)化后的墻板在保持外部尺寸不變且滿足使用要求的情況下，質(zhì)量減少了17%。

圖5 各因素水平對δmax均值的影響趨勢圖

圖8 優(yōu)化后的 σmax變形云圖

表4 優(yōu)化前后模型性能參數(shù)對比

本文在建模中簡化了墻板底部的螺栓連接和部分圓角等因素，在等效應(yīng)力圖中可以明顯看出，應(yīng)力主要集中在其中的幾個尖角部位，由彈性力學可知尖角部位的應(yīng)力是無窮大的，但是在實際應(yīng)用中因存在圓角等因素，并不會存在上述應(yīng)力無窮大的情況?？傊?，利用簡化過后的模型進行有限元分析，其結(jié)果是保守和偏于安全的。工廠根據(jù)優(yōu)化得到的外殼厚度和筋板厚度，進行實際生產(chǎn)驗證，效果良好，圖9為參數(shù)改良后實際裝配的墻板圖。

圖9 改良后裝配待用的實際墻板

4 結(jié)束語

經(jīng)編機墻板的設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到整臺經(jīng)編機的作業(yè)性能。本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS對經(jīng)編機的墻板進行仿真分析優(yōu)化 ，不僅可檢驗目前結(jié)構(gòu)是否符合作業(yè)的要求，也為日后經(jīng)編機的設(shè)計優(yōu)化提供了理論的依據(jù)和基礎(chǔ)。