立式壓罩機主機架結構優化設計

盛友藝，張亮,孫建旭，潘野，張秀娟

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

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立式壓罩機主機架結構優化設計

盛友藝1，張亮2,孫建旭2，潘野2，張秀娟2

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

根據工廠實際需要，把立式壓罩機主機架由四立柱結構改為C框架結構，采用有限元分析軟件ABAQUS對該結構進行了彈塑性分析，得出了圓弧拉筋半徑、壓板厚度、側板高度和側板間距對結構的水平、豎直方向最大位移和最大等效應力的影響規律; 并在此基礎上，采用MATLAB神經網絡工具箱對C框架結構進行了優化設計，得出了符合用戶要求的C框架結構，這對壓裝結構設計優化有一定的指導作用.

C框架結構; 彈塑性有限元分析；神經網絡；優化設計

0 引言

目前貨車軸承密封罩的壓裝設備多采用四立柱式主機架，該結構形式的優點在于能夠有效保證壓頭和軸承壓裝模具的良好對中性，同時使整個壓罩機具有良好的剛性，避免壓罩機在壓裝過程中發生過大變形[1-3].但是，在實際生產過程中，當檢修的軸承由上一檢修工位到達壓裝工位時，需要由操作工人將軸承推入壓裝位置，如圖1(a)所示；壓裝完成后，再由操作工人將軸承由壓裝位置取出，送到下一檢修工位.四立柱式主機架限制了工人的操作空間，降低了工作效率.

據此，本文采用C框架結構主機架來代替四立柱式結構[4]，此時，密封罩壓裝的操作流程如圖1(b)所示，并采用有限元分析軟件ABAQUS[5]對初始設計方案進行改進，在此基礎上，分析各結構參數對主機架豎向和水平方向位移的影響規律，最后采用MATLAB神經網絡工具箱對C框架結構進行優化設計，從而得出較佳的符合用戶要求的主機架結構.

(a)

(b)

1 方案設計

1.1 初始方案

根據用戶的設計要求和密封罩壓罩機的空間尺寸要求，C框架結構的初始方案設計如圖2(a)所示，采用45號鋼板焊接而成，板厚為10 mm，其他幾何尺寸如圖2(b)所示.

(a)三維實體模形

(b)二維尺寸圖

針對此方案，采用ABAQUS有限元分析軟件，進行了彈塑性分析，其分析模型如下：單元類型為三維實體八節點單元.材料為45號鋼，其彈性模量為205 GPa，泊松比為0.3.由于結構的上下對稱性，本文只對上半部結構進行分析，因此，只在上壓裝面施加載荷，在下半部結構側板底部施加約束.根據《鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規則》[6]規定，密封罩的最大壓裝力為30 kN，而C框架結構的壓裝面積為0.065 m2，因此，本文在壓裝上端面施加了沿豎直方向(Y軸)向上的均布力，其數值為0.46MPa.有限元分析模型如圖3所示.

(a)有限元分析模型 (b)垂直方向位移

(c)水平方向位移 (d)等效應力云圖

圖3 初始方案的有限元分析結果

有限元分析結果表明：C框架結構的上半部在垂直方向的位移較大，其中，壓裝上端面在垂直方向的位移最大，這造成壓裝上端面向上傾斜，增大了壓頭與壓裝上端面的垂直度誤差，同時，必將減小壓裝深度，使得密封罩與軸承外圈牙口無法正確咬合，加大了密封罩松脫的可能性.在水平方向上，C框架結構立板上部后側向內凹陷，前側向外敞開，中間下半部向外鼓出，變形嚴重超差，結構穩定性很差.從等效應力云圖可知，C框架結構的最大等效應力對稱分布在兩側立板上，而且在兩側板與上下兩壓裝面交界處有顯著的應力集中.

1.2 改進方案

針對上述問題，本文在上下壓裝端面和C框架結構的結合處安裝三角拉筋，其有限元分析結果如表1所示.比較該方案與初始方案的分析結果可知：安裝三角拉筋后，C框架結構上半部在水平、豎直方向的位移明顯減小，這是由于安裝的三角拉筋增大了C框架結構的抗彎強度，結構的穩定性有了很大的提高.但是比較分析結果中的等效應力云圖，發現安裝三角拉筋，雖然增大了結構穩定性，但是應力集中現象依然存在，而且危險位置的應力值增大，因此，本文將三角拉筋改變為圓弧形拉筋，圓弧半徑為100mm，并保留C框架結構的支撐角鋼，對該方案進行了有限元分析，分析結果表明：圓弧形拉筋可以有效減小最大等效應力，但是，垂直方向和水平方向的的最大位移卻增大了.因此，在此基礎上，本文又把C框架結構的板厚分別改為12、14、16mm進行了有限元分析，其分析結果如表1所示.

從表1所示有限元分析結果可以看出：板厚增加后，C框架結構的最大位移和最大等效應力等明顯減小了.但是，從等效應力云圖可以發現，側板上部的水平位移由向外突出改為向內突出，而且在與上下兩壓裝面交界處的應力集中仍然存在，結構的剛度和穩定性仍有待提高，這也將在一定程度上影響密封罩壓裝精度.此外，增大板厚使得結構的重量增大，這將提高結構的材料成本而且使得結構過于笨重.

表1 改進方案有限元分析結果比較

2 優化設計

根據上述分析結果，考慮到C框架結構的重量問題，本文把其板厚定為14mm，圓弧拉筋半徑為100mm，首先采用有限元法分析各結構參數對最大位移和最大等效應力的影響規律，由于各結構參數相互耦合，且為不連續變量，其優化模型無法用函數式來表達.因此，本文采用MATLAB神經網絡工具箱[7]對各結構參數進行優化，找出較優的C框架結構的結構參數.

2.1 結構參數影響規律

(1)改變圓弧拉筋半徑

對圓弧拉筋半徑分別為100、110和120mm的C框架結構進行了有限元分析，其有限元分析結果如表2所示.增大圓弧拉筋半徑后，垂直方向的最大位移沒有顯著變化，水平方向上的位移先顯著減小再增大；但是，C框架結構的上端部仍有向外敞開的變形，中部有向內凹的變形，結構剛度仍有待提高.此外，最大等效應力變化不顯著，這說明增大圓弧拉筋半徑，對減小立板中部應力集中作用較小.

表2 不同圓弧拉筋半徑的有限元分析結果比較

(2)改變壓板厚度

對壓板的板厚分別為28、29、30、31、33mm的C框架結構進行了有限元分析，有限元分析結果如表3所示.從有限元分析的結果可以看出：隨著壓板板厚的增加，水平方向和垂直方向的最大位移逐漸減小，最大等效應力數值發生波動，這主要是由于結構存在應力集中現象.

表3 不同壓板厚度的有限元分析結果比較

(3)改變側板高度

對側板高度分別為265、255和245mm的C框架結構進行了有限元分析，有限元分析結果如表4所示.側板高度對垂直方向的最大位移沒有影響，但是水平方向的最大位移隨著側板高度的增加明顯減小，但最大等效應力增大了.

表4 不同側板高度的有限元分析結果比較

(4)改變兩側板間距

對側板間距分別為240、250和260mm的C框架結構進行了有限元分析，有限元分析結果如表5所示.隨著側板間距的增加，垂直方向的和水平方向的最大位移先明顯下降后增加；最大等效應力也逐漸增加，應力集中更加顯著了.

表5 不同側板間距的有限元分析結果比較

2.2 優化設計

從上述分析結果可以看出：影響C框架結構的結構參數比較多，而且各結構參數互相影響、相互耦合，無法采用一個連續函數表達式來進行表達，因此，本文采用MATLAB神經網絡工具箱[7]對各結構參數進行優化，其優化原理如下[8]：輸入樣本矢量為xk=(xk1,xk2,…,xkn)，實際輸入樣本矢量為yk=(yk1,yk2,…,ykn).理想輸出向量為tk=(tk1,tk2,…,tkn)，計算輸出的誤差為：

其中：j為輸出層中第j個神經元.

網絡權值的變化為：

其中：wij為某一層第i個神經元與其相鄰的下一層第j個神經元之間的連接權值；t為學習順序；Δ為權值改變量.

權值矩陣wij可以用誤差導數矢量d和輸入矢量p進行修正：

其中：lr為學習速率.

算法采用動量規則來調整網絡的權值

Δwij=mc·Δwij+(1-mc)lr·d(i)·p(j)

其中：mc表示動量常數.

采用該優化方法對C框架結構進行優化，優化模型如下：

經過50次迭代后，優化后C框架結構參數如下：板厚為14mm，圓弧拉筋半徑R=110mm，壓板板厚為30mm，兩側板間距為218mm，上側板高度為350mm.最終方案的有限元分析結果：垂直方向最大位移是6.766E-02mm，水平方向最大位移是4.590E-02，最大等效應力是1.756E+01MPa.從有限元分析結果可知：垂直方向和水平方向的最大位移和最大等效應力較初始方案顯著降低，C框架結構的抗彎強度明顯增大，結構的穩定性有了很大提高，應力集中現象明顯改善，而且危險位置的應力值大幅下降.

3 結論

由于目前貨車軸承立式壓罩機四立柱式主機架存在操作不便的缺點，本文采用C框架結構來代替四立柱結構.應用有限元法對初始方案進行了彈塑性分析，發現其存在結構穩定性和應力集中現象，需要進一步優化改進.因此，采用有限元法得出各主要結構參數(結構板厚、圓弧拉筋半徑、壓板板厚、兩側板間距和上側板高度)對結構垂直方向和水平方向最大位移和最大等效應力的影響規律：

(1)增大圓弧拉筋半徑可以顯著減小結構水平方向最大位移，但是，過大的圓弧拉筋半徑反而使得水平方向最大位移增大，且最大等效應力也增大；

(2)增大壓板厚度對垂直方向位移變化影響較小，但是可以降低水平方向的位移，由于應力集中，最大等效應力數值發生波動變化；

(3)減小側板高度和增大側板間距可以顯著降低水平方向位移，但是，最大等效應力顯著增大.各結構參數對C框架結構的影響是相互耦合的，因此，本文采用MATLAB神經網絡工具箱進行結構參數優化，得出了較優的C框架結構，本設計可以滿足用戶要求，并已經被廠家采用.

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[7]趙書蘭.MATLAB建模與仿真[M].北京：清華大學出版社，2013.

[8]王永驥,涂健.神經網絡控制[M].北京:機械工業出版社,1998.

Optimal Design for Main Frame Structure of Vertical Press-Assemblage Machine for Sealed Cowlings

SHENG Youyi1,ZHANG Liang2,SUN Jianxu2,PAN Ye2,ZHANG Xiujuan2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

According to actual needs,the four-column structure is changed into C-shaped frame structure for a vertical press-assemblage machine of sealed cowlings.Using finite element analysis software ABAQUS, the elastic and plastic finite element analysis of the C-shaped frame structure is performed.The effect regulations of circular reinforcement radius,clamp thickness,curb height and curb space on the maximum horizontal and vertical displacements are obtained.The optimization design of the C-shaped frame structure is implemented using neural network of MATLAB toolbox.The optimization scheme of the C-shaped frame structure is obtained which accords with the requests of the users.

C-shaped frame structure;elastic and plastic finite element analysis;neural network;optimization design

1673-9590(2015)03-0052-05

2014-08-08

盛友藝(1964-),男，副教授,學士，主要從事軸承清洗設備的研究E-mail:shengyouyi@163.com.

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