基于ANSYS的環錘式破碎機殼體拓撲優化設計

申軍偉

（山西機電職業技術學院，山西長治046011）

基于ANSYS的環錘式破碎機殼體拓撲優化設計

申軍偉

（山西機電職業技術學院，山西長治046011）

通過對環錘式破碎機三維模型的構建，計算了模型的碰撞載荷，利用ANSYS軟件對模型進行了有限元拓撲優化，減輕了整機重量的同時也降低了成本，為產品進一步的優化設計提供了參考。

環錘式破碎機；拓撲優化；ANSYS

PCKW0809環錘式破碎機是一種通過環錘的高速旋轉對脆性塊狀物體進行破碎的物料粉碎機械，在煤礦開采過程中有著廣泛應用。在該產品的設計過程中，產品殼體的結構設計是重要的一個方面，提高殼體的剛度和減輕殼體重量對產品的使用和制造均有重要的意義。

拓撲優化作為結構優化設計的一種方法，在產品結構及剛度設計方面，拓撲優化只需要設定材料特性、外載荷及優化材料占比即可，相對普通的優化方法具有很大優勢，ANSYS軟件作為一款高端CAE分析軟件，提供的拓撲優化功能可以方便的對相關產品進行優化設計[1]，本文利用其拓撲優化功能對PCKW0809環錘式破碎機殼體進行了優化設計，提高殼體剛度的同時也減輕了重量。

1 殼體總成的三維建模

對環錘式破碎機的殼體總成進行優化的前提是要創建三維虛擬模型，基于CREO軟件對殼體總成的各個零件進行建模并裝配，在此建模過程中，因為工藝或特征過度的目的，殼體零件上分布有一些對殼體整體剛度和強度影響不大的細小結構，為減少計算機有限元優化的計算量，對這些細小結構進行適當刪減[2]，考慮殼體總成整體尺寸和撞擊板等特征的最終模型如圖1所示。

圖1 殼體的CAD模型

2 碰撞力載荷計算

根據PCKW0809環錘式破碎機的工作參數及工況條件，設定主軸的轉速為額定轉速970 r/min，工作能力為60 t/h.設置原煤的密度為1.8 kg/cm3，工作時的最大進料尺寸為100 mm×80 mm×45 mm.為便于觀察粉碎過程，在模型上僅顯示一組花環錘，其他部分設置為隱藏模式[3]，完成約束和加載設置之后的動力學模型如下圖2所示。

圖2 主軸總成的動力學模型

在對主軸模型進行檢驗無誤之后，進行動力學仿真計算，得到塊狀原煤與環錘的碰撞力曲線，如圖3所示。

圖3 環錘工作過程的碰撞力曲線

由上圖結果曲線可知，在X軸水平方向上的碰撞力極值為F1=23 520 N，Y軸垂直方向上的碰撞力極值為F2=66 805 N.為保證極限強度，取Y軸方向碰撞力極值F=66 805 N進行優化計算。

3 殼體的拓撲優化

3.1 網格劃分

由于殼體主要由板材焊接組合而成，故而在進行有限元網格劃分時，采用shell單元進行網格劃分工作。由于殼體上還需安裝柵板調節部件，因而需要從殼體中去除此部分的安裝空間，方能作為殼體總成的優化范圍。針對殼體結構特點，設置殼體材料的彈性模量為3e11，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，采用shell93殼單元對殼體總成進行網格劃分，最終得到6 863個單元，如圖4所示。

圖4 殼體的有限元模型

3.2 優化區域確定

破碎機殼體底座除承受機身自重之外，也承受著工作過程中的絕大部分動靜載荷，同時還有固定機身的作用，對強度的冗余要求較高，故而本次設計保持底座不變，選擇單元屬性為Brick 8 node 185.設有排塵通道的殼體半罩既需要承受一定的破碎沖擊力，有需要保證足夠的通道孔徑，因而將兩側殼體半罩設置為優化區域，以便在滿足強度剛度要求的同時保證足夠大的排塵通道[4]。

3.3 約束與載荷

根據實際的工作情況，兩側殼體半罩與破碎機底座之間采用面面接觸方式進行固定連接，基面底座采用零位移固定約束。對于撞擊板固定軸的載荷分配，按照動力學計算結果，采用多載荷步的方式將X軸和Y軸的極限載荷加載到兩側撞擊板固定軸上[5]。并通過添加集中質量的方式模擬主軸總成的質量并加載到底座軸承。

3.4 拓撲優化

完成載荷及約束設定之后，采用ANSYS軟件的拓撲優化功能將整體剛度設置為優化目標，迭代計算的收斂公差設置為0.001，在指定約束條件后進行求解計算，得到殼體節點偽密度圖如下圖5和圖6所示，在此基礎上通過tograph obj命令得到優化目標函數與迭代次數的關系曲線，如圖7所示。

圖5 側視節點偽密度圖

圖6 俯視節點偽密度圖

圖7 目標函數收斂迭代曲線

由圖5和圖6可知殼體罩板中間及頂部的深灰色區域剛度足夠，因而可通過改變相應部分的厚度來對整機重量進行優化處理。而不帶排塵通道的另一側半罩的頂部部分區域及加強筋兩側深灰色區域也有足夠剛度，也可通過改變厚度或加強筋形式等途徑進行優化處理。由圖7可知，在6次迭代計算之后，即完成了體積減少30%的拓撲優化過程。

3.5 結果分析

優化計算之后，殼體體積減少了30%，雖然殼體半罩部分節點極限應力增加8.1%，變形也相應增大5.6%，但結構的整體變形值和應力值均在殼體材料的允值范圍之內（Q235A抗拉強度=375 MPa，設計最大變形0.5 mm），因而優化結果滿足產品設計使用要求。

4 結束語

通過將CREO軟件中建立的環錘式破碎機模型導入到ANSYS軟件中，進行網格劃分并依據破碎機實際工作參數添加相應的載荷與約束，考慮產品結構特點后，合理確定拓撲優化區域，使產品的結構得到了改進，優化產品結構剛度的同時降低了產品重量，為殼體的輕量化設計提供參考[6]。

[1]楊國旗，虞彪.基于ANSYS WORKBENCH的發動機連桿有限元分析[J].裝備制造技術，2011（10）：23-25.

[2]魏鋒濤，宋俐，代媛.基于ANSYS Workbench的立式車床回轉工作臺結構優化設計[J].制造技術與機床，2016（4）：79-84.

[3]李治多，王明強.多工況載荷下連續體結構拓撲優化設計研究[J].現代制造工程，2008（09）：70-73.

[4]劉巖，柏福，段國林.基于ADAMS的錘式破碎機參數化建模及應用[J].機械工程師，2011（11）：44-45.

[5]李倫未，陸山.基于ANSYS的多輻板風扇盤結構優化設計技術[J].航空動力學報，2011（26）：2245-2250.

[6]李俊.環錘式破碎機動力學研究及優化設計[D].太原：太原理工大學，2013.

Topological Optimal Design of Annular Hammer Crusher Based on ANSYS

SHEN Jun-wei
（Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Changzhi Shanxi 046011，China）

Through the construction of the three-dimensional model of the ring hammer crusher，the impact load of the model is calculated.The finite element topology optimization of the model is carried out by using ANSYS software，which can reduce the weight of the whole machine and reduce the cost，which provides a reference for the further optimization design of the product.

annular hammer crusher；topological optimization；ANSYS

TD451

：A

：1672-545X（2017）01-0056-03

2016-10-07

申軍偉（1985-），男，河南林州人，助教，研究生，研究方向：機械產品結構優化設計。