《带式输送机改向滚筒辐板结构的优化设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《带式输送机改向滚筒辐板结构的优化设计（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、带式输送机改向滚筒辐板结构的优化设计 吉林大学郝万军王继新司俊德 摘 要：在ANSYS环境下基于拓扑优化理论，以结构最小应变能为目标，对带式输送机改向滚筒的辐板进 行拓扑优化设计。然后基于拓扑优化结果设计辐板，再对其进行尺寸优化，在减轻结构质量的同时也降低结构 挠度和均匀化结构应力，为今后带式输送机滚筒辐板的设计提供了理论上的参考依据。 关键词：带式输送机；滚筒辐板；拓扑优化；尺寸优化 Abstract：The paper takes the smallest deformation energy as the optimization objective to optimize the wh
2、eel rib of bend pulley of belt conveyor by means of topological theory under the ANSYS environmentand to derive the optimum sizes of the ribIt can result in reducing the weight of the rib and improving the structural stressIt offers theoretical reference for the design of wheel rib of bend pulley of
3、 belt conveyor Keywords：belt conveyor；bend pulleyS wheel rib；topology optimization；size optimization 拓扑优化设计作为结构优化设计的一种，在 结构的概念设计阶段能够为决策者提供更灵活的 选择方案，从而缩短研发周期，降低成本，因此 越来越受到人们的重视。辐板是带式输送机滚筒 的重要部件，合理的辐板设计可使滚筒结构轻便、 应力均匀、材料利用率高。本文基于拓扑优化理 论以改向滚筒辐板为研究对象，采用ANSYS软件 对辐板形状进行拓扑优化，并基于拓扑优化结果 设计辐板，再对其进行尺寸优化。优化后的结果
4、在满足强度和刚度情况下质量大幅减轻，解决了 工程实际问题。 1辐板拓扑优化设计 11几何模型的建立 带式输送机改向滚筒为典型的对称回转结构， 其约束和载荷都是对称的。为了节约计算时间， 可以取滚筒的一半进行建模和分析。改向滚筒的 几何结构示意图如图1所示，其中深色区域是需 要优化的辐板区域，浅色区域是非优化区域。 一20一 图1滚筒几何模型 12有限元模型的建立 (1)单元类型的选择 选用SOLID95单元对该滚筒的优化模型进行 离散。SOLID95是SOLID45的高次形式。它能应 用于不规则形状且精确度损失较低。SOLID95单元 有适当的位移协调形状，适于模拟曲线边界。该 单元由20个节
5、点定义而成，每个节点有3个自由 度： 、Y、 方向的位移。SOLID95单元有可塑 性、蠕动、应力钢化、大变形和大应变能力的 特性。 (2)单元数量的控制和网格划分方法 ANSYS程序中默认1单元为拓扑优化区域， 因此，将优化辐板区域单元类型号指定为Type 1， 其余不优化区域就可以将其单元类型号指定为 Type 2或更大数值。并假设滚筒各个部件的材料 为同种材料。 网格质量和疏密程度对优化结果有很大影响。 SOLID95单元具有中间节点，三棱柱单元会发生网 格退化现象，网格质量不好，因此最好使用六面 体单元。但是如果都采用六面体单元，随着半径 的增加，网格体积会越来越大。拓扑优化过程中，
6、对于要删除的材料，模型会删除相应的单元。因 此在优化区域，网格的体积最好大致相等。体积 相差太大，优化结构则不准确。所以必须使用三 棱柱单元作过渡单元。整体有限元模型具有14万 个节点。 起重运输机械 2009(9) (3)约束和载荷的模拟 滚筒轴承多采用调心轴承，滚筒轴能够在垂 直轴心线的方向上实现一定的转角，所以轴承约 束采用球坐标来实现。中间截面加对称约束。 改向滚筒受力比较简单，只有自重和胶带张 力作用，滚筒自重以重力加速度和材料密度的方 式施加。对于改向滚筒，忽略胶带作用于其上的 切向摩擦力，只考虑胶带张力在滚筒表面产生的 法向正压力，并视这种载荷为均布载荷，直接加 到滚筒的外表面处
7、。滚筒在正常工作状态为均匀 转动的。为了模拟该滚筒的旋转状态，采用多步 载荷加载的办法，依次将滚筒旋转60。，使用6个 载荷步模拟滚筒旋转1周。使用LSWRITE命令写 出每个载荷步。施加约束的有限元模型如图2所 示。改向滚筒载荷参数见表1。 图2约束有限元模型图 表1改向滚筒载荷参数表 合张力 包角 重力加速度 张力与重力夹角 25 kN l2O。 98 ms 90。 13拓扑优化计算 采用多载荷步方式，设定结构的柔顺度为拓 扑优化函数，并将其定义为拓扑优化目标函数， 将系统缺省定义的“VOLUME”定义为约束条件， 并指定体积减少60。选择OC准则法作为优化算 法，并指定优化迭代次数为20
8、次。设置好后提交 ANSYS计算。进行拓扑优化计算时，可以设置较 小的收敛公差，执行单次迭代，对结果不满意， 可以继续做迭；如果再次迭代后的优化结果与前 次结果相差无几，则可以停止计算，将此时的结 果作为最终优化结果，而不必将程序运行直至收 敛。这样，可以节省时间与计算机资源。在经多 次迭代后，输出如图3所示的拓扑优化结果的密 度云图。 14拓扑优化结果分析 由ANSYS拓扑优化的数学模型知，该优化过 程是以伪密度值7i(7i表示第i个单元的伪密度 起重运输机械 2009(9) 一 图3拓扑优化结果密度云图 值)为设计变量， 0的单元就是拟删除的单 元，Ti 1的单元就是欲保留的区域。图3从左
9、边 到右边代表密度从0001到1的中间过渡，即左边 的区域去除的材料多，右边区域去除的材料少。 通过对拓扑优化结果及其辐板受力情况进行 分析，可以得出以下结论： (1)辐板内侧主要承受压力和内侧的弯矩， 是主要承载区域，应当保留； (2)辐板与胀套连接部位为轮毂部分，主要 承受压力，应当保留； (3)从辐板截面可以看出，内侧和外侧传递 拉力，通过一层联接内侧和外侧的蒙板传递拉力 而蒙板、外侧支板和轮毂围 成的三角形内部材料承载比 较小，可以去除。辐板截面 右上角三角形区域材料受力 最小，可以完全去掉。 根据设计结果设计出辐 板的形状如图4所示。但是 拓扑优化不能明确给出辐板 优化部分的具体尺寸
10、，需要 图4 14滚筒 辐板设计模型 通过尺寸优化来进一步对辐板进行设计。 2辐板尺寸优化设计 21尺寸优化模型建立 设计的辐板为板结构的焊接件。主要优化的 尺寸为钢板的厚度，因此辐板和筒壳选用壳单元 SHELL63。辐板的尺寸示意图如图5所示，虚线部 分为辐板和筒壳的轮廓，提取中间面进行有限元 建模。滚筒轴和胀套选用实体单元SOLIIM5。在实 体单元的外表面必须铺1层壳单元，才能使壳单 元和实体单元有效连接。因此为了建模方便，将 辐板的轮毂分为实体单元部分和壳单元部分。首 先建立厚度为 的实体单元，然后在该实体单元 外表面覆盖1层厚度为 的壳单元，因此轮毂的 厚度为：R =H2+ 。2。约
11、束和加载情况都要拓 一21 扑优化过程相同，滚筒有限元模型如图6所示。 图6尺寸优化有限元模型 22尺寸优化数学模型的建立 通过拓扑分析的结果，选定 、R 、 和R 作为优化分析的设计变量，如图5所示。约束条 件为辐板、轮毂内径、筒壳、轴的最大等效应力 小于最大许用应力80 MPa、轴的最大挠度小于轴 长的13 000。目标函数定为滚筒的总质量最小。 假设滚筒各个构件的材料密度相同，并选取滚筒 的总体积反映滚筒的重量为目标函数。 23滚筒优化计算及结果分析 采用零阶优化方法，执行循环命令，经过60 次循环迭代结束，得出l4组可行性优化序列并得 出最优结果。图7表示优化循环迭代过程中参数 的变化
12、情况。从图中可以看出第11组数据比较理 想。根据最大近似的原则，将最优结果进行圆整 得出1组比较理想的优化数据： = 。，R ， R3，R4 =22，35，l0，385。 霉一1 迭代次数 图7优化循环迭代过程中参数的变化曲线 1H1 2R2 3R3 4凡 一22一 根据优化迭代并经过圆整后得到的最优数据， 再次对滚筒进行有限元分析。滚筒的最大等效应 力为8387 MPa，发生在辐板上；滚筒轴的最大位 移为0036 mill，发生在滚筒轴中部；优化前滚筒 最大等效应力为5835 MPa，发生在胀套和滚筒轴 接触部分；优化前滚筒轴最大位移为0058 mm， 发生在滚筒轴中部。 滚筒优化前后目标函
13、数和状态变量对比如表2 所示。优化后滚筒体积比优化前减少245，滚 筒轴最大挠度降低38，而最大等效应力提高 437，但是均在工程要求范围内。 表2滚筒优化前后目标函数和状态变量对比表 滚筒轴最 滚筒最大 滚筒总体积 大挠度 当量应力 优化设计前 0058 5835 1276 0610。 优化设计后 0036 8387 9626 0010 3结论 拓扑优化作为一项新兴的设计技术，可能成 为带式输送机滚筒提高性能、降低成本的关键技 术。尽管存在一些不足，但并不妨碍其在现代设 计中的应用，尤其是在新产品开发周期越来越短， 更新换代越来越频繁的今天。同时，结合现今成 熟的CAE技术，不仅缩短了开发周期，更减少了 其试验的频次，降低了厂家新品开发的成本。拓 扑优化技术为滚筒的开发提供了强有力的指导性 功能。 参考文献 1孙玉刚重型滚筒的有限元分析方法的研究沈阳：东 北大学，2005 2张向宇，熊计，等基于ANSYS的加工中心滑座的拓 扑优化设计现代制造工程，2008(2)：131133 3小飒工作室最新经典ANSYS及Workbench教程北 京：电子工业出版社，2004 作 者：郝万军 地 址：长春市人民大街5988号吉林大学南岭校区机械 科学与工程学院 邮 编：130025 收稿日期：200903一o4 起重运输机械 2009(9)
