《带式输送机改向滚筒的结构优化设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《带式输送机改向滚筒的结构优化设计（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、技术与应用蓼滚筒是带式输送 机的主要承载元件其可靠性和寿命直接影响带式输送 机的性能。国内的滚筒设计往往采用经验公式法和类比法，设计工程 师根据自己的理论 知识 和工程设 计经验经过不断地 选择、试算、分析、校核直至达 到设计要求为止。这种设计方法往 往使用很高的安 全 系数来保证结构 的安 全，结果造 成滚筒结构尺寸和重量 加 大，增加了不必 要 的制造成本。与美国、日本传递相同动力 的滚筒相比国产滚筒的质量平均 高出1 3左右。增大滚筒尺寸不能解决滚筒失效问题，因为滚筒是一个复杂的系统，各个构件的强度和刚度互相 影 响。单方面增 加某个尺寸可能会 给其他构件带来不利的影响。为使滚筒既能满足
2、刚度和 强度条件，又便于制造、使用、维修和节约成本，需要用有限单元法对其进行精确的应 力分析和结构优化。本文基于国际大型 通用有限元分 析软件ANSYS。讨论 改向滚筒的优化设计数学模型建立 和求解方法。图1等截面辐板滚 筒 结构示意 图1滚筒类型的确定以等截面辐 板轮 毂结构的改向滚筒为例进 行优化 (见图1)，它主要包括 筒壳、辐 板、轮毂、滚 筒轴4个部分。为了计算方便，整个滚筒假设采用 同种材料。滚筒的力学参数和材料属性见表l所示。2等截面辐板改向滚筒强度有限元分析利用ANSYS软件对 滚筒进行静力分析，改向滚 筒所受载荷：滚筒 自重可由密度和重力加 速度的方式施加；滚筒筒壳 表面法向
3、压力，这种压力在改向滚筒 中视为均布载荷，其径向比压可按q=2F(bd2)MPa确定；滚筒旋转角速度产生的惯性力。约束模拟是滚筒强度分析 的另一重要 环节，必须遵循以下原则：一是要有足够 的约束使结构消除刚体运动的可能，从而保证刚度矩阵非奇异。获 得位移的确定解。二是不得有多余约束，因为多余的约束会使结构产生实际不存在的附加约束力。从而增加部件的计算刚度，使计算结果失真。表1滚筒力学 参 数和 材料属性 参数 含义参 数符合参 数数值 力 学输送 带 合张 力F25kN包 角a120。 参 数 输送带宽b1500ram 弹性模量EMPa 材 料 属性泊松比1J03 材料密度P78 10“k g
4、m m。 表 2 滚 筒初 始 结 构 参 数 表 。 一一 参 数 含义 数值 参数 含义 数值 名 称 ( I l l m) 名称 f ram) b l 轴 承间距 2 4 0 0 1 轴 头 度 1 2 8 b 2 筒 皮宽带 1 8 0 0 t 简 壳厚度 1 4 b 3 轮辐 问距 1 6 0 0 t 辐 板厚度 l 4 b 轮毂 宽度 1 4 O d 筒 壳外 6 1 0 b 5 轴肩 宽 1 0 d 轮毂 外径 2 2 0 d 1 轴承 内径 8 O 滚筒 轴直径 1 4 0 b 轴承 宽度 8 O 根据 表 1 、表 2所 列 载 荷及 滚 筒 结 构参 数 ， 计 算筒壳 的
5、最大等效应力为 9 5 3 9 MP a 发生在筒壳 和辐 板 的联接 焊缝 处 ，其余 位 置 的应 力比较 小 ； 滚 筒轴 的最 大 等效应 力 发 生在 轴 承 约束 的位 置 ， 而 轴 中 部 的 应 力 比 较 小 ： 辐 板 的 最 大 应 力 为 4 5 5 3 6 MP a 发生 在 和轮毂 的联 接处 ： 轮 毂 的最 大 等 效应 力为 9 9 MP a ， 应 力 比较 小 。 通 过 对滚 筒 的静 态分 析 可 以看 ， 滚 筒结 构设 计 存在 着 较大 的强 度 和 刚度 的余 量 ， 结 构 和材 料 的 承载 能力 并没 有得 到 充分 利 用 ， 这 为
6、结 构 优化 提供 了很 大 的空 间。对 滚 筒进 行 结 构优 化 ， 其 目的主要 是 使滚 筒结 构 在满 足 强度 和 刚度 的条件 下 ， 通 过优 化 各部 分 尺寸使 所 用 的材料 最 少 ， 即质 量最 小 。 3 滚 筒 优化 设计 的 数学模 型 优 化 变量 的选 定 设 计 变量 为 自变 量 ， 就 是通 过 改变 设计 变量 的数值 来实 现优 化结 果 。 每个设 计 变 量都 有上 下 限 它定 义 了设 计 变量 的变 化范 围。 在滚筒性能满足使用要求的前提下 ， 要显著降低滚 筒 的质 量 ， 选 择优 化 的结构 件 应满 足 该 部件 的质 量 在
7、滚 筒 结构 件总 质 量 中 占有 较 大 的 比重 、 该 部件 的 质量 减 小对 整个 滚筒 的刚度 和强 度影 响 不显 著 。 通 过 分 析 滚筒 各 部 分 结 构 件 对 滚 筒 刚度 的影 响 ， 选定 筒 壳厚 度 ( t ) 、 辐板 厚度 ( t 2 ) 、 轮 毂外 径 ( d ) 、 滚 筒轴 直径 ( d 4 ) 和轮 毂厚 度( b ) 作 为 优化 分析 的设 计 变 量 。 且 口 ： X= ， 2 ， 3 ，j ，点 5 】 ：【 i ， ， d 2 ， 矗 约束条件的确定。约束条件又叫状态变量 ， 即 “ 因变 量 ” ， 是 设计 变 量 的 函数
8、。在 滚筒 的设计 中为 了防止皮带跑偏 ， 筒壳 的径向变形 、 轴 的挠度应限 技 与应用 制在 一定 范 罔内 ； 为 了防止 疲 劳破 坏 ， 辐 板 、 轮毂 内 径 、 筒壳 、 轴 的最大应力应在疲劳极限之内。因此 ， 不考虑滚筒 的振动特性 时 ， 辐板 、 轮毂 内径 、 筒壳 、 轴的最大等效应力为状态变量 ， 其值小于最大许用 应 力 8 0 MP a ，轴 的最 大 挠 度 小 于 轴 长 的三 千 分 之 一，筒 壳 的最 大 径 向变 形小 于 筒壳 总 长度 的 千分 之一 。 目标 函数 的 确 定。目标 函数 定 为滚筒 的总质量 最小 ， 若滚筒各个构件材料
9、的密度相 同， 则滚筒 的 总体积也可代替滚筒的质量作为 目标 函数。 4 基 于 AN S Y S 的优化 设计 方 法 优 化 作 为一 种数 学 方法 ， 通 常 是利 用 对解 析 函 数求极值的方法来达到寻求最优值的 目的。 建立优 化 设计 的数学 模 型后 ， 对 于 简单 的模 型 可 以利 用经 典 的极 值 理论 进行 求 解 ， 但对 于复 杂 的工程 结 构 问 题 很难 求 解 ， 甚至 无 法列 出数 学 表达 式 。 随着有 限 元 理 沦的 发展 及计 算 机 的普 遍应 用 ， 可 用有 限元 辅 助进行结构优化设计 ， 目前很多有限元软件都具备 优 化设 计
10、 功能 优 化 设 计 步骤 。A N S Y S软件 中的 优 化分 析 步 骤如图 2所示。 首先利用有限元软件建立以设计变 量 为参 数 的参 数化 模 型并 加 载求 解 然后 在 后处 理 中将状态变量 ( 约束条件 ) 和 目标 函数 ( 优化 目标 ) 提取 出来供优化处理器进行优化参数评定 。 f l 参数化建模 1 一选择优化士 l 具 或 者 优 化 燕 1 一 ll l 声明优化变 ； i 量 l 厂 、 l 进行优化分 l 析 l 图 2 A NS Y S软件中的优化分析步骤示意图 优 化 设计 过 程是 一个 反 复 改变 设计 变 量 ， 以满 足约束条件下使 目标
11、函数逼近最小值的过程。 对于 这样一个循环过程 ，每次循环执行有限元分析 ， 生 65 技木与应用 I 茂 带 j 蕉 一 成优化循环文件 ，并在优化汁算中循环渊整设计 变量。一次循环指一个分析周期 ， 相当于改变设计 变量执行一次分析文件 。在最后一次循环完成后 ， A N S Y S程序输H ； 优化计算结果并存储在 J o b n a me o p o文件 中。一般 来说 ， 次优 化 迭代 等 同于一 次 循环 但 对 于 一阶方 法 而言 一次 迭 代代 表 多次 循 环 每次优化的结果对应一个优化结果序列。优化 结果数据库文件 中记录有 当前 的优化环境 ，包括 优 化 变量 定
12、义 、 参 数 、 所有 优 化设 置 和设计 序 列 集 合 在 所有结 果序 列 中 ， 完全状 态变量 约束 条件 的 结 果 序列 就是 可行 性优 化 序列 可行 性 优化 结果 序 列 中包 含 了一个 最优 设 计序 列 ，但 在这 些 优化 结 果序 列 中 ，不 一 定所 有 的结 果序 列 完全 满 足状 态变 量规定 的约束 条件 。因此 ， 把 这些 不能满 足状 态变 量 优化 条件 的 优化 序列 称为 不 可行 优 化结 果 序列 。 优 化 方法 。A N S Y S软件 提供 了子 问题 近似 法 和一 阶优 化方 法 两种 主要 的优 化 方法 ，绝 大 多
13、数 的优化 问题都 可 以片 J 这两种 方法 解决 。 子 问题 近 似 法 是一 一 种 较 为可 靠 的 处 理 方 法 。 所谓子问题近似法 ，因为只川到 日标函数和约束 条件的值 ， 而没有刚到其偏 导数 ， 故又称作零阶方 法 。使用 状态 变擐 和 目标变 量 的逼近 ， 而不用 它们 的梯 度 ，它 不川 每次 都 通过 有 限元 分析 来 得 到状 F j ： 蹦 a 态变量和 目标变量的值 ， 是在一定的分析基础 上 ，得到状态变量和目标 函数与设计变量的拟合 关系 ， 从而求 最优解 。在该方法 巾， 程序把优化 循 环生 成 的 目标 函数 、状 态 变量 与设 计 变
14、量 的关 系拟合成 曲线( 或 曲面) ， 然后在新一步迭代 中， 用 新生成的数据更新拟合好的曲线( 或 曲面) 。对于设 计变量和状态变量 的约束 ， A N S Y S用罚函数 法将 其转化为无约束 问题 ，采用序列无约束极小化力 法 来 搜索 无 约束 日标 数 。在每 一 次循 环 结束 后 都要进行收敛检查 ， 如果满足以下条件之一 ， 程序 就认为已经收敛 ：目标函数值由最佳合理设计到 当前设 计 的变 化 应小 于 目标 函数 容 差 ；当前 设 计 和前一设计 的目标 函数差值小于容差；从当前设 计 到最 佳合 理设 计 ，所 有设 计 变 量 的变化 值 小 于 各 自的容
15、差 ： 从 当前设计 前一 一 设计 ， 其所有设计 变量 的变化 值 小于 各 自的容差 ；迭代 次数 超 过设 定 的最 大迭 代次数 。 其 中，最佳合理设汁是指设计序列 中满足所 有 给定 的约束 条件的 目标 数值最小 的设计序 列 ， 这 种方 法 是 比较通 用 的优 化 方法 ， 可 以有效 处 理 绝 大多 数 的T 程 问题 ， 是 A N S Y S优化 设 计模 块 中最 基本 和 常用 的 方法 。 5 优化 设计 结果 及分析 采 用 子 问题 近似 法 利 用 AN S Y S优 化 模 块 进 图 3 状 态变 量 随 着 优 化 迭代 过程 的 变 化 曲线 b 科技菘 行求解 ， 经过 6 0次循环迭代结束 ， 得 最优结果。 优 化 设 计 变 量 为 ： x = t ， t z ， d ， ， b = 1 1 o ， 1 0， 2 6 0 ， 1 2 5 ， 1 2 0 1 。 在 优 化 迭代 过程 中 ，状 态变 量 的变 化 曲线 如 图 3所示 。图 a显示 了最大应力随优化迭代过程 的变化 曲线 。图 b显 示 了
