劉曉花

摘要：滾筒設(shè)備在現(xiàn)代工作和生活中具有重要的應(yīng)用。很多機(jī)械設(shè)備的核心部件之一便是滾筒，在傳統(tǒng)的滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，由于設(shè)計(jì)的方法往往依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)完成的滾筒出現(xiàn)體積偏大等現(xiàn)象。本文主要將以ANSYS作為依據(jù)，對(duì)換向滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化。在研究的過程中，以廣州市某公司的所研制的輸送設(shè)備滾筒部件作為案例，通過明確設(shè)計(jì)滾筒時(shí)的變量、滾筒的狀態(tài)變量以及目標(biāo)變量等，構(gòu)建有限元模型，對(duì)相關(guān)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化修改，最后進(jìn)行優(yōu)化算，獲得最好的輸送設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸。

關(guān)鍵詞：ANSYS;輸送設(shè)備滾筒;結(jié)構(gòu)改進(jìn);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U664.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0077-02

0? 引言

目前很多機(jī)械設(shè)備逐漸朝向輕質(zhì)化發(fā)展，研究機(jī)械產(chǎn)品的時(shí)候，已經(jīng)開始通過采用較為先進(jìn)的技術(shù)手段強(qiáng)化產(chǎn)品性能，提高產(chǎn)品的市場競爭力。在輸送設(shè)備設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，最為核心的部件是換向滾筒，在設(shè)計(jì)滾筒的時(shí)候，其結(jié)構(gòu)重要性不言而喻，對(duì)產(chǎn)品的各方面性能產(chǎn)生重要影響。在設(shè)計(jì)滾筒的時(shí)候，普遍的是明確其基本的結(jié)構(gòu)類型之后，再以經(jīng)驗(yàn)值作為依據(jù)，對(duì)所有部件的尺寸作出大體的明確，之后再簡單的計(jì)算和核對(duì)剛度和強(qiáng)度，這種方式勢必會(huì)導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)完成的滾筒結(jié)構(gòu)尺寸存在精準(zhǔn)度不高的現(xiàn)象。

1? 基于ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)換向滾筒結(jié)構(gòu)

基于ANSYS領(lǐng)域的設(shè)計(jì)優(yōu)化，借助于有限元軟件，能夠獲得兩種設(shè)計(jì)方案，分別為一階方法和零階方法。就兩種方法而言，在設(shè)計(jì)過程中，具有分析、評(píng)估和修正的循環(huán)過程。這一過程在循環(huán)的時(shí)候，直至滿足滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求為止。在對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，其組成模塊包含有初始化模塊、數(shù)據(jù)抽象模塊、預(yù)處理模塊、優(yōu)化控制模塊以及后處理模塊等等。初始化模塊所實(shí)現(xiàn)的功能是用參數(shù)將設(shè)計(jì)的變量作出表示，同時(shí)完成賦值任務(wù)[1]。數(shù)據(jù)抽象模塊所實(shí)現(xiàn)的主要功能是對(duì)準(zhǔn)備階段作出分析，與實(shí)際模型相互結(jié)合，對(duì)目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量以及設(shè)計(jì)變量等相關(guān)數(shù)據(jù)信息予以明確。預(yù)處理模塊所實(shí)現(xiàn)的主要功能是建立完善的參數(shù)化數(shù)據(jù)模型，同時(shí)將模型作出網(wǎng)絡(luò)化的劃分。在對(duì)控制模塊進(jìn)行優(yōu)化的環(huán)節(jié)中，首先要對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)變量作出明確、對(duì)取值范圍以及狀態(tài)變量等相關(guān)數(shù)據(jù)作出的定義，在此之后，需要對(duì)目標(biāo)變量作出定義，同時(shí)將優(yōu)化算法作出選擇。最后，明確模型優(yōu)化的準(zhǔn)確次數(shù)，并且做出詳細(xì)計(jì)算。ANYSY優(yōu)化的具體流程如圖1所示。

2? 優(yōu)化模型分析

2.1 輸送設(shè)備優(yōu)化模型問題描述

輸送設(shè)備滾筒的使用功能可以劃分成為兩種：第一，能夠快速且準(zhǔn)確的定位，第二，能夠幫助實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)，并且可以在最短時(shí)間內(nèi)完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)工作。在設(shè)計(jì)輸送設(shè)備換向滾筒的時(shí)候，均具有一定的參數(shù)規(guī)格要求。就廣州市某公司所研制的KYSX-1200×2400型號(hào)的滾筒而言，其規(guī)格如表1所示。

滾筒的制作，是通過人工焊接而成的，所以，在加工的過程中，會(huì)因?yàn)楣ぷ魅藛T的工作失誤而導(dǎo)致誤差出現(xiàn)，最終使得質(zhì)心與軸心出現(xiàn)偏離的現(xiàn)象。另外，裝置在使用中，也會(huì)在不同的程度上出現(xiàn)偏心的現(xiàn)象。通過使用配重的方法，可以最大化的降低偏心的質(zhì)量，但是也會(huì)因?yàn)椴考哂写笮〔灰坏馁|(zhì)量，所以在一定程度上不能夠?qū)⒉考馁|(zhì)量予以抵消[2]。此外，在加工滾筒的時(shí)候，對(duì)于加工過程所造成的誤差偏心問題也難以做出估量。一般情況下，因?yàn)槭艿讲考图庸ざ鴮?dǎo)致的滾筒質(zhì)量出現(xiàn)偏心值，該值的浮動(dòng)變化只會(huì)停留在一定的幅度。在該廠研制完成的滾筒，其偏心的質(zhì)量控制在6.4kg以內(nèi)。由于偏心的質(zhì)量而造成的慣性力可以通過公式（1）表示出來：

在公式（1）中，字母m和字母n所表示的含義為輸送設(shè)備滾筒極限轉(zhuǎn)速，字母r所表示的含義為輸送設(shè)備滾筒的半徑。將偏心質(zhì)量6.4kg帶入到公式（1），能夠獲得慣性力F的值為37860N。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型

想要確保輸送設(shè)備滾筒的質(zhì)量能夠最輕化，則必須要構(gòu)建有限元優(yōu)化模型，在構(gòu)建的時(shí)候要滿足設(shè)計(jì)的要求。之后，還應(yīng)該要采取優(yōu)化的措施展開迭代計(jì)算，獲得目標(biāo)函數(shù)的極值，獲得最優(yōu)化的輸送設(shè)備滾筒設(shè)計(jì)方案。在對(duì)輸送設(shè)備換向滾筒設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過程當(dāng)中，需要進(jìn)行數(shù)學(xué)表述，而影響數(shù)學(xué)表述結(jié)果的因素主要有約束條件、目標(biāo)函數(shù)以及設(shè)計(jì)變量[3]?；谝呀?jīng)明確滾筒模型的滾筒長度和滾筒的外徑，并且沒有限定滾筒的厚度、側(cè)板的厚度以及中心軸的直徑，所以將這三項(xiàng)設(shè)定為設(shè)計(jì)的變量。滾筒當(dāng)在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候以極限轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，它的橫向彎曲變形不能夠超出輸送設(shè)備精度的規(guī)定數(shù)值，盡管在輸送設(shè)備當(dāng)中的安裝精準(zhǔn)度精度需設(shè)定為0.5mm，但是需要對(duì)誤差做出考慮。限定滾筒的橫向變量最大的數(shù)值要控制在0.3mm以內(nèi)，當(dāng)滾筒在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，其最大的應(yīng)力值也應(yīng)該控制在材料屈服強(qiáng)度值以下。所以在模型設(shè)計(jì)的時(shí)候，約束條件為最大的彎曲變形以及滾筒最大的應(yīng)力。

優(yōu)化輸送設(shè)備滾筒最終的目的是保證將滾筒的質(zhì)量降到最低，因?yàn)闈L筒具有相對(duì)比較均勻的質(zhì)量，并且其質(zhì)量也相對(duì)較小，所以體積也比較小[4]。與ANSYS軟件相結(jié)合，在將體積數(shù)據(jù)進(jìn)行提取的時(shí)候，也相對(duì)而言較為簡單和方便，于是可以將滾筒的體積確定為最終的目標(biāo)函數(shù)。

進(jìn)一步對(duì)各變量的范圍作出明確，數(shù)據(jù)如表2所示。

3? 優(yōu)化換向滾筒的過程分析

3.1 劃分與求解有限元模型

預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)變量的初值之后，在分析的過程中便可以以ANSYS結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)展開分析滾筒。滾筒的主體部分制作主要是通過使用焊接的方式強(qiáng)化對(duì)各個(gè)部分的連接而制作完成。但是在分析的過程中，將其作為單一的材質(zhì)，不會(huì)對(duì)最終的分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響[5]。在制作滾筒的時(shí)候，選擇的材料是45號(hào)鋼材，鋼材的彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比的結(jié)果為μ=0.3，密度結(jié)果為每立方米7850kg。在模型制作的時(shí)候，選擇使用的是SOLID92單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，由于模型具有不規(guī)則的形狀，所以在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，可以選擇使用自由形式的網(wǎng)格。在對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分之后，總共有42577個(gè)節(jié)點(diǎn)，21501個(gè)單元。

運(yùn)動(dòng)中的滾筒，將會(huì)受到偏心質(zhì)量以及軸端的約束影響，而產(chǎn)生了平衡慣性力。除此之外，部件也在一定程度上受到了其他設(shè)備的壓力影響，但是因?yàn)橥饨缭O(shè)備具有松軟結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，所以這個(gè)壓力便可以忽略掉[6]。軸承的全約束受到了滾筒兩個(gè)軸端的影響，所以在這個(gè)模型之上可以將邊界條件作為約束，最終求出結(jié)果，獲得滾筒位移的分布云圖。

3.2 狀態(tài)變量的提取與優(yōu)化計(jì)算

求解有限元模型之后，就需要對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行提取，同時(shí)完成對(duì)優(yōu)化控制文件的建立工作。根據(jù)表2所示，設(shè)計(jì)變量的有滾筒的厚度、側(cè)面壁的厚度以及直徑長度三個(gè)元素，約束條件為應(yīng)力SMAX、撓度DMAX。目標(biāo)變量為所有單元的體積綜合。通過使用零階算法當(dāng)中的子問題法展開研究分析，將迭代的次數(shù)設(shè)定為7，那么，ANSYS的部分程序設(shè)計(jì)如下所示：

完成對(duì)控制文件的優(yōu)化之后，所獲得的結(jié)果如表3所示，將獲得的體積值分別進(jìn)行質(zhì)量數(shù)值的換算，其中標(biāo)注有*的數(shù)值表示的為最佳值。在表格中，位移的數(shù)值和長度的數(shù)值，單位表示為mm，應(yīng)力單位表示為MPa，質(zhì)量單位表示為kg。

4? 結(jié)語

基于ANSYS對(duì)輸送設(shè)備滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是一種高級(jí)有限元應(yīng)用技術(shù)，其有機(jī)結(jié)合了計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的輸送設(shè)備滾筒結(jié)構(gòu)，在不會(huì)影響到滾筒性能的前提之下，將滾筒的質(zhì)量進(jìn)行了降低處理。

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