任裕鋒

（湖南長重機器股份有限公司，長沙 410201）

斗輪堆取料機的俯仰結構由斗輪、前臂架、門柱架、平衡架和拉桿等構件組成，具有自重大、結構復雜等特點；同時，受到斗輪堆取料機工作環(huán)境的影響，對俯仰結構的強度、剛度等特性提出了嚴格要求。為了更好地滿足礦料或貨物的連續(xù)裝卸要求，并且達到降低使用成本的目的，需要建立斗輪堆取料機俯仰結構的有限元模型，在模型分析的基礎上進行優(yōu)化設計，從而實現(xiàn)機械產(chǎn)品的不斷改良。在機械設備建模方面，UG軟件具有操作簡單、功能豐富等特點，本文使用UG NX12.2 軟件建立斗輪堆取料機俯仰結構的實體模型，將模型文件再導入到HyperMesh10.0 中，得到有限元模型并進行分析。

1 斗輪堆取料機俯仰結構有限元模型的構建

1.1 幾何清理

本文使用UG 三維建模軟件構建斗輪堆取料機俯仰結構的模型?？紤]到俯仰結構具有板殼數(shù)量多、精密程度高等特點，需要通過幾何清理保證網(wǎng)格劃分時的連續(xù)性，提高建模質(zhì)量。在建立俯仰結構的幾何模型后，以IGES 格式保存，并將模型文件導入到HyperMesh軟件中。利用HyperMesh 軟件對俯仰結構模型進行清理，例如對模型的細節(jié)處加以完善；去除多余線條，簡化模型等。以縫隙為例，俯仰結構的幾何模型中經(jīng)常會出現(xiàn)相鄰構件之間存在較大縫隙的情況，可以使用HyperMesh 軟件中的幾何清理功能，對面進行縫合；然后再調(diào)用該軟件中的surface 功能，把小的曲面合并成大的曲面，通過壓縮共享邊的方式消除縫隙，從而提高建模質(zhì)量。

1.2 單元選擇

俯仰結構的主要材料為鋼板，根據(jù)有限元理論從HyperMesh 軟件中選擇殼單元Shell63 模擬工字型界面，使用梁單元Belam44 模擬L 型鋼，使用質(zhì)量單元Mess21 模擬前臂架上的平臺與欄桿，使用桿單元Link8 模擬俯仰結構前、后拉桿。彈性殼單元Shell63 的每個單元節(jié)點有6 個自由度，可同時承受面內(nèi)載荷與法向載荷。這里以Shell63 單元為例，俯仰結構中的Shell63 單元滿足以下條件。

在俯仰結構中應力比較集中的區(qū)域，不得使用低階三角形單元，優(yōu)先考慮低階的矩形或正方形單元，在網(wǎng)格劃分后能夠保證模型的精確性。高階單元在反映真實曲面或曲線邊界等方面具有更加顯著的優(yōu)勢，但是計算量遠遠大于低階單元。因此，在滿足計算精度要求的前提下，本文選用低階四邊形單元劃分網(wǎng)格。俯仰結構局部無法使用低階四邊形單元的，使用三角形單元進行過渡。

1.3 網(wǎng)格劃分

有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量決定了分析結果的可信度，精細的網(wǎng)格劃分是得到準確求解結果的必要前提。基于HyperMesh 軟件的網(wǎng)格劃分方法有2 種，即自動劃分法和交互式劃分法。前者是通過預設的單元尺寸對已經(jīng)生成的三維模型進行網(wǎng)格劃分；后者則是靈活調(diào)整單元的布置密度，達到劃分網(wǎng)格目的[1]。本文對俯仰結構有限元模型進行網(wǎng)格劃分時，同時應用了2 種劃分方法。對于形狀比較規(guī)則的構件采用自動劃分法，對于構件之間的連接件采用交互劃分法。在確定網(wǎng)格劃分方法后，還要考慮網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密度等因素。

1.3.1 網(wǎng)格數(shù)量

網(wǎng)格數(shù)量主要影響計算量和準確度，理論上來說網(wǎng)格數(shù)量越多，計算結果的準確度越高，但是相應的計算量也會增加，需要更多的求解時間。因此，在確定網(wǎng)格數(shù)量時，需要尋找一個臨界數(shù)量，在保證準確度達到要求的前提下，最大程度上減少計算量。本文對俯仰結構模型進行網(wǎng)格劃分時，采用了比較2 次不同數(shù)量網(wǎng)格求解結果的方式，如果求解結果差異明顯，則繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，直到2 次求解結果相差不大時，說明當前網(wǎng)格數(shù)量合理。經(jīng)過多次比較后，最終確定斗輪堆取料機俯仰結構模型中殼單元數(shù)量為49 400 個，梁單元數(shù)量為3 250 個，桿單元為5 個，剛性單元40 個，質(zhì)量單元200 個。

1.3.2 網(wǎng)格疏密度

結合斗輪堆取料機的結構組成和運行特點，不同位置所受應力也有明顯差異，這就意味著該模型不同部位的網(wǎng)格密度也存在差異。對比來看，前臂架、平衡架處工字型腹板結構較為簡單，受力均勻，這種位置用比較稀疏的網(wǎng)格即可；結構吊耳及各個構件的連接處應力變化明顯，受力不均勻，這種位置必須使用密集網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的斗輪有限元模型如圖1 所示。

圖1 斗輪有限元模型

1.4 材料特性

斗輪堆取料機俯仰結構是由不同型號的鋼板、型鋼焊接形成，材質(zhì)主要有Q355 鋼和Q235 鋼2 種類型，俯仰結構材料屬性見表1。

表1 俯仰結構材料參數(shù)表

2 斗輪堆取料機俯仰結構的有限元分析

2.1 俯仰結構有限元分析方案

根據(jù)分析對象的不同，可以將俯仰結構的靜力分析方案分為2 種：其一是將俯仰結構看作一個整體進行有限元分析；其二是將俯仰結構拆分成若干個獨立部件，以每個獨立部件作為研究對象展開有限元分析。2 種方案各有優(yōu)缺點，方案一的優(yōu)點在于將銷軸連接看作接觸模擬，與實際情況更加吻合，缺點是需要在有限元模型中加入顯得銷軸和接觸，使模型變得更加繁瑣，計算量也進一步增加。因此，本文選擇方案二進行俯仰結構的有限元分析。將斗輪結構簡化成剛度較大的梁單元，從HyperMesh 軟件中選擇MPC184 剛性梁單元來模擬斗輪的重量和阻力，達到載荷傳遞的效果。

2.2 斗輪的載荷施加與邊界處理

斗輪的載荷由2 部分構成，一部分是斗輪自身重量產(chǎn)生的自重載荷；另一部分是作用在輪體上的挖掘阻力載荷。在斗輪靜力分析時分別考慮正常工況和超載工況下的受力情況。挖掘阻力載荷作用于輪體料斗的外側邊緣位置，邊界條件為在輪體中心處施加完全位移約束，約束對象為所有構件的自由度[2]。

2.3 輪體的靜力分析結果

如上文所述，斗輪采用全殼單元模擬，強度評價采用第四強度理論，觀察斗輪在正常挖掘阻力和超載挖掘阻力2 種工況下的等效應力圖和位移圖，結果如下。

2.3.1 等效應力方面

在正常挖掘阻力下，輪體結構所受的最大等效應力為37.5 MPa；在超載挖掘阻力下，輪體結構所受的最大等效應力為54.8 MPa。斗輪堆取料機俯仰結構的主體部分為Q355 鋼材，容許應力為177.5 MPa。對比可以發(fā)現(xiàn)，斗輪的最大等效應力明顯低于容許應力。

2.3.2 位移方面

在正常挖掘阻力下，輪體結構出現(xiàn)的最大位移為3.11 mm；在超載挖掘阻力下，輪體結構出現(xiàn)的最大位移為3.83 mm，并且位移主要出現(xiàn)在外邊緣處，這與挖掘阻力荷載的作用位置相符合。斗輪的直徑為5.5 m，位移值遠低于斗輪直徑，這一數(shù)據(jù)表明輪體的剛度能滿足要求。

2.4 俯仰結構的靜力分析結果

本文對斗輪堆取料機的俯仰結構進行靜力分析。結合分析結果，能夠掌握俯仰結構中關鍵部件（如臂架、門柱架、拉桿）的位移信息。在此基礎上，結合臂架、平衡架等構件的撓度值，可以進一步求出俯仰結構各個部件在靜力作用下的最大剛性位移，從而根據(jù)位移值判斷俯仰結構的剛度是否達標[3]。本文對俯仰結構分析結果進行后處理時，選擇了HyperView 軟件。由于該軟件與建模軟件HyperMesh 同屬于一家公司，由HyperMesh 生成的建模文件可以直接在HyperView 軟件中打開，解決了不兼容的問題。選擇ANSYS13.5 作為求解器，在Hyper－View 軟件中提取出俯仰結構的單個部件并展開后處理。判斷后處理得到的計算結果，如果符合要求則結束本次靜力分析，如果不符合要求則返回施加載荷程序。俯仰結構的靜力分析流程如圖2 所示。

圖2 俯仰結構的靜力分析流程圖

俯仰結構的靜力分析結果表明，俯仰結構的最大軸向力為671.6 kN，最大軸向應力為64.9 MPa。在水平狀態(tài)超載取料工況下，最大軸向應力小于容許應力（177.5 MPa），故俯仰結構的強度符合要求。

3 斗輪堆取料機俯仰結構的優(yōu)化設計

3.1 前臂架的優(yōu)化流程

為了進一步提高產(chǎn)品性能，在產(chǎn)品設計成型后還要針對產(chǎn)品的細節(jié)處進行優(yōu)化設計，達到減輕損耗、節(jié)約成本、改善性能等效果。本文選擇斗輪堆取料機俯仰結構中的前臂架作為研究對象，探討結構優(yōu)化設計方案。結合前臂架的主要功能和受力特點，初步確定從成本、強度、重量等方面進行優(yōu)化?？晒┻x擇的優(yōu)化方法有2 種：一種是數(shù)學規(guī)劃法，其核心是在當前設計方案的基礎上，確定優(yōu)化方向，然后利用逼近函數(shù)不斷逼近最優(yōu)設計；另一種是優(yōu)化準則法，其核心是選擇剛度、強度等作為優(yōu)化準則，建立結構優(yōu)化的迭代公式，通過多次迭代后得到最優(yōu)參數(shù)，并根據(jù)最優(yōu)參數(shù)設計優(yōu)化方案。本文選擇優(yōu)化準則法，并借助于Ansys 軟件中的Design Explorer 模塊完成多目標驅(qū)動優(yōu)化[4]。

在優(yōu)化前，俯仰結構前臂架的強度存在一定余量，其主體結構形式為“工”字型。這種結構雖然能夠提供較強的承載力和穩(wěn)定性，但是重量較大。因此，本文以重量作為優(yōu)化方向，通過參數(shù)優(yōu)化設計讓俯仰結構向輕量化方向改進。優(yōu)化思路如下：在保證前臂架的強度、剛度均符合設計要求的前提下，向前臂架的上下翼緣和左右腹板均勻施加載荷，以翼緣和腹板厚度作為設計變量，以前臂架總重量作為優(yōu)化目標，得出結構在厚度方向上的最優(yōu)分布?；贏nsys 的前臂架優(yōu)化流程如圖3 所示。

圖3 基于Ansys 軟件的俯仰結構前臂架優(yōu)化流程圖

3.2 輸入輸出參數(shù)的確定

在前臂架的優(yōu)化設計中，將設計變量作為輸入?yún)?shù)。這里共選擇了4 個設計變量，分別是上翼緣厚度（P1）、下翼緣厚度（P4）、左腹板厚度（P3）和右復板厚度（P7）。設計變量的初始值為P1=P4=15 mm，P3=P7=10 mm。輸出參數(shù)有2 個，分別是前臂架的最大等效應力（P6）和模型總質(zhì)量（P5）。

3.3 優(yōu)化結果

在確定優(yōu)化方案和輸入輸出參數(shù)后，使用Ansys軟件中的Design Explorer 模塊進行前臂架結構優(yōu)化。設置優(yōu)化條件為：群體規(guī)模10 000；交叉概率0.8，變異概率0.05；迭代次數(shù)500 次[5]。在施加載荷和約束時，在前臂架右側的軸銷孔處施加位移約束，在左側吊耳處施加拉桿拉力，其他附屬件則施加自重載荷。優(yōu)化前后輸入和輸出參數(shù)的對比結果見表2。

表2 優(yōu)化前后結果對比

由表2 數(shù)據(jù)可知，在不改變俯仰結構前臂架最大等效應力的前提下，前臂架的重量從原來的21 767 kg變?yōu)?8 240 kg，減輕了3 527 kg，重量減幅達到了16.2%，優(yōu)化效果明顯。進一步對比優(yōu)化前后的等效應力圖，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后前臂架的強度滿足要求，說明本次優(yōu)化方案達到了預期效果。

4 結束語

斗輪堆取料機在實際應用中，由于自重較大會消耗更多的能量，再加上設備需要長時間連續(xù)作業(yè)，導致使用成本升高。因此，在保證斗輪堆取料機俯仰結構的強度、剛度滿足安全作業(yè)需求的前提下，最大程度上減輕自身重量，能夠達到節(jié)能降本的效果。參照斗輪堆取料機的實體裝置，使用UG 模型建立仿真三維模型，然后在將模型文件導入HyperMesh 軟件中得到有限元模型。利用該軟件提供的功能模塊展開有限元分析，并根據(jù)分析結果設計了俯仰結構中前臂架的優(yōu)化方案。結果表明，在等效應力相同的前提下，優(yōu)化設計后的前臂架重量減少了3 527 kg，降幅達到了16.2%。優(yōu)化后，斗輪堆取料機俯仰結構的運行能耗將會得到降低，節(jié)約了設備使用成本。