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(沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

管道清淤機器人在極端復(fù)雜的排水管道進行清淤作業(yè)，其清淤裝置的剛度和強度對清淤能力起到至關(guān)重要的作用，為驗證該管道機器人的清淤能力，對清淤裝置進行流固耦合強度分析，并應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化的方法對刮刀、扇形盤和清淤裝置整體進行有限元分析，對外載荷可行域進行優(yōu)化計算。

機械結(jié)構(gòu)的有限元強度和剛度分析在機械設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、研究機械結(jié)構(gòu)可靠性等方面應(yīng)用廣泛。劉平將有限元分析與經(jīng)典史密斯算法進行對比,驗證了有限元分析的可靠性[1]；張庶等建立了裝配狀態(tài)下的有限元模型，得到了裝配體之間剛度與強度的相互影響規(guī)律[2]；丁玉慶等通過對轎車車身的強度、剛度分析，提出改進方案，降低了最大應(yīng)力[3]。

參數(shù)優(yōu)化的方法大多應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域，極少應(yīng)用于剛度和強度的分析中，彭歡[4],胡丹梅[5]等均應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化的方法對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究。本文應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化的方法，將清淤裝置的外載荷、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)化，并以應(yīng)力和應(yīng)變作為約束條件，應(yīng)用ANSYS進行了參數(shù)優(yōu)化計算。

1 管道機器人及清淤裝置

管道機器人模型見圖1，由推進系統(tǒng)和清淤裝置組成，推進系統(tǒng)為整機提供前進動力。

圖1 管道機器人模型

在推進系統(tǒng)和主軸旋轉(zhuǎn)時實現(xiàn)刮削—攪拌—過濾—推進—自流沖刷的五位一體清淤動作。其中，刮刀的刮削，刮刀、扇形盤和葉片的攪拌對后續(xù)的清淤效果起到至關(guān)重要的作用，清淤裝置剖視圖見圖2，該清淤裝置具有過載保護和越障的能力，通過刮刀前錐面、扇形盤(滑塊)、彈簧以及滑道實現(xiàn)。在高速旋轉(zhuǎn)清淤時，刮刀、扇形盤及葉片的強度和剛度是衡量該清淤裝置工作能力的重要參數(shù)，需對其進行研究。

圖2 清淤裝置剖視圖

2 流固耦合強度分析

對清淤裝置進行流固耦合分析，得到流體作用下清淤裝置的應(yīng)力分布狀態(tài)，驗證流體對清淤裝置強度的影響。

通過對污泥的流變特性進行分析，確定清淤攪拌轉(zhuǎn)速范圍為20～100 r/min時污泥的黏度趨向于極限黏度[6]，查閱城市排污管道相關(guān)資料[7]，設(shè)定清淤工況，參數(shù)如表1。

表1 清淤裝置的工況參數(shù)

得到流體作用于清淤裝置的最大應(yīng)力分布，需在清淤盤的極限轉(zhuǎn)速為100 r/min，軸向前進速度為2.5 m/s和流體流速為2.5 m/s時，進行流固耦合仿真分析。得到流體作用下清淤裝置的表面壓力分布圖見圖3，清淤裝置基于壓力的流體運動曲線見圖4。

圖3 清淤裝置的表面壓力分布

圖4 基于壓力的流體運動曲線

仿真結(jié)果分析：

清淤裝置最大表面壓力和流體最大壓力均出現(xiàn)在清淤裝置貼近管道下方處，有利于刮刀將管道底部的淤泥攪拌至推移狀態(tài)。

清淤裝置最大壓力為68.5 Pa，流體最大壓力為0.1 MPa，清淤裝置的屈服應(yīng)力為280 MPa，故流體對結(jié)構(gòu)作用的壓力遠遠小于屈服極限，故流體對結(jié)構(gòu)的強度影響很小。

(三)目前我國經(jīng)濟發(fā)展速率已經(jīng)出現(xiàn)了一定的下滑，且隨著人民幣貶值、國內(nèi)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型等客觀壓力。經(jīng)濟發(fā)展中的不穩(wěn)定因素得到進一步凸顯。而形成有效的國際財經(jīng)合作體系則是共同抵抗風險的有效路徑。通過建立穩(wěn)步的國際財經(jīng)合作體系擴大有效的基本盤，綜合提升各個地區(qū)的經(jīng)濟穩(wěn)定程度是保障我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的根本。

如圖4，流體在進入清淤裝置時，隨著清淤裝置進行高速旋轉(zhuǎn)；通過清淤裝置后，流體處于高速無規(guī)則運動，清淤效果顯著。

3 外載荷參數(shù)優(yōu)化

清淤裝置在清淤過程中難免會遇到較大阻力的工況，其彈簧系統(tǒng)具有越障和過載保護功能，該功能主要依靠刮刀的軸向和切向力過大時實現(xiàn)， 經(jīng)過第2節(jié)的流固耦合分析，可忽略流體對清淤裝置的強度分析。對清淤裝置的受力分析見圖5，其中，F(xiàn)τ為切向刮削力，F(xiàn)n為軸向淤積物沖擊力，分析可知刮刀、扇形盤是發(fā)生最大彎矩的零件。

圖5 受力簡圖

3.1 建立優(yōu)化模型

參數(shù)優(yōu)化的目的是，在清淤裝置滿足預(yù)定的剛度和強度的基礎(chǔ)上，尋找刮刀錐面處可承受的最大外載荷。參數(shù)化優(yōu)化數(shù)學模型為：

(1)

xi為不同大小外載荷；Fi,Fj分別為切向刮削力和軸向沖擊力(根據(jù)有限元靜力學分析試探性設(shè)置外載荷參數(shù)變化范圍：100 N≤Fτ≤5 000 N，100 N≤Fn≤5 000 N)；σmax為清淤裝置所受最大應(yīng)力；[σ]基盤許用應(yīng)力(查閱資料參照水輪機葉片的安全系數(shù)最大為2.5，結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力為280 MPa，故設(shè)定許用應(yīng)力為112 MPa);δmax為基盤最大變形；[δ]為基盤許用形變(3 mm，按照管徑直徑1%要求)。

3.2 參數(shù)優(yōu)化計算

將簡化的清淤裝置三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，因六面體網(wǎng)格相比四面體網(wǎng)格單元數(shù)量少，能降低分析計算誤差，適用于網(wǎng)格質(zhì)量高的結(jié)構(gòu)，所以采用六面體網(wǎng)格劃分方法進行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型如圖6，劃分網(wǎng)格單元27 325個，節(jié)點數(shù)17 566個，網(wǎng)格排列緊湊規(guī)整，質(zhì)量高。

圖6 有限元模型

對有限元設(shè)定約束如圖7，在清淤裝置旋轉(zhuǎn)前進過程中，刮刀的錐面可實現(xiàn)越障和過載保護功能,是受外載荷的部位。

圖7 有限元約束

進行有限元靜力學計算，通過Parameter Set參數(shù)連接Response Surface Optimization模塊建立參數(shù)優(yōu)化模塊，并計算。

3.3 參數(shù)優(yōu)化后處理

圖8 外載荷與刮刀關(guān)系

圖9 外載荷與扇形盤關(guān)系

圖10 外載荷與清淤裝置關(guān)系

結(jié)果分析見表2，軸向力參數(shù)區(qū)間100～5 000 N，切向力參數(shù)區(qū)間1 000～5 000 N。

仿真結(jié)果表明：

在軸向力參數(shù)區(qū)間100～5 000 N內(nèi)，刮刀、扇形盤和清淤裝置整體的應(yīng)力均滿足設(shè)定安全系數(shù)最大為2.5時，材料的許用應(yīng)力為112 MPa的要求，其中清淤裝置最大應(yīng)力達到110 MPa接近許用應(yīng)力值；變形均滿足許用形變3 mm的要求。

表2 仿真結(jié)果分析

在切向力參數(shù)區(qū)間100～5 000 N內(nèi)，刮刀、扇形盤和清淤裝置整體的變形均在許用形變內(nèi)；刮刀和清淤裝置的最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力，扇形盤的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，所以切向刮削力的選取需要進一步優(yōu)化。

3.4 響應(yīng)面優(yōu)化分析

進入Response Surface Optimization項目的 Optimization模塊，建立優(yōu)化參數(shù)的優(yōu)化目標，即設(shè)定應(yīng)力上限為112 MPa，進行優(yōu)化計算，得到在應(yīng)力約束的條件下軸向沖擊力與切向刮削力的許用值見圖11；變形上限為3 mm，進行優(yōu)化計算，在變形約束條件下的軸向沖擊力與切向刮削力的許用值見圖12。

圖11 應(yīng)力約束下軸、切向力許用關(guān)系

由圖12分析，在變形約束下，軸向沖擊力和切向刮削力在其變化范圍內(nèi)均可行。

方形為可行點，圓形為不可行點，由圖11分析：在應(yīng)力約束下，切向力最大允許3 500 N，軸向力在100～5 000 N內(nèi)均可行。

圖12 變形約束下軸、切向力許用關(guān)系

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用有限元方法，從流體沖擊和固體沖擊兩方面對清淤裝置的外載荷進行了計算，得到結(jié)論如下：

①應(yīng)用流固耦合的方法對清淤裝置整體進行有限元計算，驗證在極限流體沖擊下，流體對結(jié)構(gòu)的強度影響不大，可忽略不計。

②應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化的方法，以強度和剛度為約束條件，以外載荷為參數(shù)變量，對清淤裝置的刮刀端部外載荷進行有限元優(yōu)化分析，通過軸向沖擊力和切向刮削力的可行域，確定清淤裝置的作業(yè)能力，為清淤裝置的過載保護和越障系統(tǒng)的設(shè)計計算提供理論參考。

③切向力對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響顯著，對變形影響呈線性增加；軸向力對變形影響顯著，對應(yīng)力呈線性增加。