斗輪堆取料機四連桿式上部結構有限元分析及結構優(yōu)化

張佳佳

摘 要：首先，本文針對斗輪堆取料機四連桿式上部結構有限元分析進行了較為詳盡的闡述，既提出了上部結構有限元靜力分析方案，也分析了強度準則；接下來，又對斗輪堆取料機四連桿式上部結構優(yōu)化方法提出了一定看法，包括結構優(yōu)化方法及模型以及前臂架結構優(yōu)化輸入、輸出參數(shù)的確定這兩方面內容。

關鍵詞：斗輪堆取料機；四連桿式；有限元分析；結構優(yōu)化

前言

在散料裝卸工業(yè)當中，斗輪堆取料機是比較常見的大型設備之一，在港口，采礦區(qū)，散料儲備等場所應用廣泛，在散料堆取工作中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。為了使設備具有更良好的使用性能，就應保證其系統(tǒng)整體的協(xié)調性。由于上部結構在設備運行中起著關鍵性的作用，尺寸規(guī)模較大、結構相對復雜，而在以往的設計當中，結構方案的確定一般以操作經(jīng)驗為標準，主觀性較強，因而常常會引發(fā)一定的結構問題。為了使結構設計得到優(yōu)化，可引進有限元分析法，對其受力情況進行研究，并在研究結果的基礎上形成經(jīng)濟合理的設計方案。

1.斗輪堆取料機四連桿式上部結構有限元分析

1.1上部結構有限元靜力分析方案

為了對斗輪堆取料機的上部結構進行有限元分析，可采取以下兩種方案：第一種，針對上部結構整體展開研究，進而完成有限元分析；第二種，將整個上部結構進行拆分，針對各個部件展開研究，進而完成有限元分析。上述兩種方案各有利弊，第一種方案的實行需引入銷軸連接定義，構建不同部件過渡區(qū)域的接觸模型，因而會更加接近實際情況，但不足之處在于一旦引入銷軸，就必須分別建立實體單元，接觸單元這兩個模型，不僅建立過程繁瑣，且運算量較大，極易出現(xiàn)失誤；第二種方案由于將設備進行了拆分處理，因此具備建模靈活，運算量較小，分析過程不易出錯的優(yōu)越性。由于斗輪機構與臂架系統(tǒng)之間結構復雜，因而在對上述兩種方案進行選擇時，應具體參考斗輪的結構性能，可通過對其進行一定程度的簡化，以梁單元的角度進行考慮，根據(jù)實際安裝位置，采用MPC184 剛性梁單元，將斗輪結構與前臂架進行連接，從而對斗輪重量，挖掘阻力等要素進行模擬，從而使載荷得以傳遞。

1.2強力準則

如果當前應力狀態(tài)比較復雜，可對各部件的應力狀態(tài)進行確認，矩陣式表示為：

T=σxτxyτxzτyxσyτyzτzxτzyσz （公式一）

對斗輪堆取料機四連桿式上部結構的應力進行計算時，考慮到了正應力及剪應力，根據(jù)剪應力互等原理，可推導出τxy=τyx，τxz=τzx，τyz=τzy。因此，為了對結構不同位置的應力狀態(tài)予以確認，只需分別得出此處的三個正應力分量，以及三個剪應力分量；如果采用鋼材進行結構設計，則等效應力應表示為：

σe =12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2] （公式二）

此式中的σ1，σ2，σ3分別代表主應力。

2.斗輪堆取料機四連桿式上部結構優(yōu)化方法

2.1結構優(yōu)化方法及模型

根據(jù)對強度準則的分析，可以發(fā)現(xiàn)前臂架的強度留有更大的余量。對其主體結構進行觀察，發(fā)現(xiàn)其截面處呈現(xiàn)雙“工”字形，說明主體結構是由垂直方向的翼緣，以及水平方向的腹板所共同組成。為了克服前臂架的使用缺陷，緩解其強度儲備偏高的問題，使其結構更加靈活，向輕量化型改進，本文將運用ANSYS Workbench的Design Explorer（DX）模塊下的技術，將多目標驅動優(yōu)化法（GOD：Goal Driven Optimization）與多目標遺傳算法結合起來，以添加參數(shù)的運算方式，完成對結構的優(yōu)化設計。其具體流程如下：如果當前條件已經(jīng)具備足夠的強度及剛度，可施加相應負載，以前臂架結構作為分析對象，將其垂直方向的翼緣，以及水平方向的腹板作為參數(shù)的變量，優(yōu)化目的在于最大程度地減小前臂架的重量，追求結構在厚度方向上的最優(yōu)布局。以ANSYS Workbench為依托的結構優(yōu)化，整個過程需要參數(shù)化建模，求解，參數(shù)評價，優(yōu)化循環(huán)，修改設計變量等一系列程序。

2.2前臂架結構優(yōu)化輸入、輸出參數(shù)的確定

2.2.1設計變量及其范圍

使用DX模塊時，設計變量是由參數(shù)決定的。前臂架在結構上相對復雜，因此要想構建系統(tǒng)化的數(shù)學模型，必然具有一定難度。這樣就應當從提取關鍵因素入手，對不同規(guī)格產生的作用程度進行分析，從中選出作用力最為明顯的作為設計變量，一般是將垂直方向翼緣的上部厚度P1，下部厚度P4，水平方向腹板的左側厚度P3，以及右側厚度P7作為設計變量，各變量分別取值為P1=P4=14mm，P3=P7=10mm。為了使鋼板具備良好的制造工藝，在保證其足夠的耐用性，以免發(fā)生形變或銹蝕的同時，又能夠提高其軋制性能，焊接性能，以及機械性能，最好應將鋼板厚度控制在6mm-20mm之間。

2.2.2輸出變量

由于受到載荷的影響，在評估結構強度時，應考慮到前臂架的最大等效應力。當參數(shù)尺寸發(fā)不斷變化時，前臂架的最大應力及質量也會同時發(fā)生變化。將其最大等效應力（Equivalent Stress Maxinum）作為輸出參數(shù)P6，模型的總質量（Geometry Mass）為輸出參數(shù)P5。

3.結論

本文通過對斗輪堆取料機四連桿式上部結構有限元分析及結構優(yōu)化進行深入分析和探究，指出斗輪堆取料機在工業(yè)生產中占據(jù)著極其重要的地位，為了提高其使用性能，有必要對其上部結構設計進行優(yōu)化。本文采用了有限元法對斗輪堆取料機四連桿式上部結構進行了分析，并在分析結果的基礎上提出了斗輪堆取料機四連桿式上部結構優(yōu)化方法。

參考文獻：

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