基于水電站ANSYS的液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計

閆軍林

(吐魯番市清源水利水電勘測設(shè)計院有限公司，新疆 吐魯番 838000)

大液壓啟閉機是航空、能源、汽車等行業(yè)大型結(jié)構(gòu)件成型加工的重要設(shè)備。通常情況下，液壓啟閉系統(tǒng)包括液壓缸組件，液壓泵站，輸送管道，檢測設(shè)備和電控設(shè)備。該機構(gòu)具有尺寸大、加工時壓力高、活動梁位移大等特點，且受動荷載影響較大。盡管有多種簡化方法，但設(shè)計出的結(jié)構(gòu)強度和剛度均不高，并且存在設(shè)計周期長，結(jié)構(gòu)不合理，效益低下等問題。所以，在保證沖壓機身使用性能和技術(shù)要求的前提下，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化是十分必要的。當前已有較多學者開展了關(guān)于液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的研究，其中，殷正瑞等[1]對100MN液壓鍛造機預(yù)緊組合式機架的有限元分析，該分析方法主要對機架三維建模，然后對機架進行動力學分析，以機架最大變形與應(yīng)力集中的位置作為優(yōu)化的主要部分，并對優(yōu)化后的機架結(jié)構(gòu)進行了動力學分析。蔡曙光等[2]主要采用Flow3D軟件對大型液壓機機架進行了數(shù)值模擬，預(yù)測出可能產(chǎn)生的鑄造缺陷，對機架進行了優(yōu)化。上述方法雖然對機架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，但是存在機架結(jié)構(gòu)的位移問題，為此將ANSYS應(yīng)用到液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計中。ANSYS是工程設(shè)計軟件，該系統(tǒng)具有復(fù)合材料設(shè)計、三維構(gòu)件制作、擴展建模、動力分析、流體力學分析、聲場分析、結(jié)構(gòu)靜力分析等功能，因此將ANSYS應(yīng)用到液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中具有重要意義，并通過實驗驗證了此次研究的方法的有效性。

1 基于ANSYS的液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

1.1 幾何模型建立

以某液壓啟閉機為例進行實體建模與研究分析，建模時運用ANSYS軟件，遵循自上而下的原則進行實體建模，此次研究主要對液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

1.2 有限元模型的建立

液壓機的結(jié)構(gòu)形式和實際工況條件復(fù)雜。整個液壓機模型的建立，需要在不影響精度的情況下，簡化結(jié)構(gòu)以提高計算速度。

(1)在不影響主要因素的情況下，不受力或受力較小的構(gòu)件可以被忽略。

(2)分析認為，各焊接件的焊接質(zhì)量均為絕對可靠，焊縫對傳力效果無影響，各焊接件可視為單一連續(xù)體。

(3)不考慮地腳螺栓的彈性變形，認為其剛度是無窮的。

在實際應(yīng)用過程中，采用計算機輔助設(shè)計軟件SolidWorks對液壓機的三維實體模型進行簡化處理，然后將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，進行后續(xù)優(yōu)化。

1.2.1網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是為了實現(xiàn)液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)的離散，它對建立ANSYS模型具有重要意義。網(wǎng)格型式與密度直接影響計算工作量及結(jié)果的準確性，當網(wǎng)格劃分不合理時，復(fù)雜幾何區(qū)域[3]內(nèi)的網(wǎng)格單元將發(fā)生變形，低級網(wǎng)格區(qū)域?qū)@得不一致的數(shù)據(jù)場。其基本原則包括均勻應(yīng)力區(qū)[4]的粗略劃分與集中應(yīng)力區(qū)的細劃分，由于液壓啟閉機結(jié)構(gòu)龐大，外形復(fù)雜，因此選取智能網(wǎng)格劃分，將精度等級設(shè)置50，網(wǎng)格尺寸大小為30mm。

1.2.2液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)模態(tài)分析

在對液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)模態(tài)分析過程中，分析機架的受力[5]情況，受力簡圖如圖1所示。

圖1 機架受力簡圖

圖1中，Py代表作用在啟閉機上的預(yù)緊力[6]，P代表在機架上的工作載荷。

作用在機架上的力形成一封閉力系[7]，在此基礎(chǔ)上，將慣性力引入到所研究的運動系統(tǒng)中，可以建立動力學平衡方程如下：

Mx+Cx+Kx=P(t)+N+Q

(1)

式中，M—液壓啟閉機機架的質(zhì)量矩陣；x—加速度矢量；C—機架的阻尼矩陣；K—剛度矩陣；N—非線性外力項矢量；Q—邊界約束反作用矢量。

在此基礎(chǔ)上，忽略外部阻尼與載荷條件，對液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型計算，其表達式為：

Mx+Kx=0

(2)

同時，根據(jù)彈性體的自由振動理論將振動分解為一系列簡單的簡諧振動，其對應(yīng)的正弦函數(shù)方程表達式如下：

(3)

依據(jù)上述過程分析出液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)特征值，即得到液壓機機架的一般狀態(tài)和預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。

1.2.3液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

在上述液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是通過仿真分析獲得材料在整個設(shè)計結(jié)構(gòu)內(nèi)的合理分布而得到最佳設(shè)計方案，從而得到材料在整個設(shè)計結(jié)構(gòu)中的合理分布。解決優(yōu)化問題，關(guān)鍵在于建立正確的優(yōu)化目標，預(yù)先設(shè)置邊界條件，因為液壓啟閉機在工作過程中，其底座需要固定在地面上，以防止其在工作過程中發(fā)生大幅度改動，因此需要對底座進行固定約束，將其限制在X、Y、Z3個方向，以限制結(jié)構(gòu)單元的自由度。基于上述分析將液壓機機身的質(zhì)量最小和第一階固有頻率最大作為目標函數(shù)，其表達式如下：

minf=αminM-βmaxω0

(4)

式中，α、β—加權(quán)系數(shù)。

ANSYS環(huán)境下數(shù)值優(yōu)化過程如圖2所示。

圖2 ANSYS環(huán)境下數(shù)值優(yōu)化過程

依據(jù)上述計算建立該機身的尺寸優(yōu)化模型，在實際對框架結(jié)構(gòu)組合過程中，為防止液壓啟閉機工作時機身的結(jié)合面上出現(xiàn)間隙，安裝機架時必須給液壓機一定的預(yù)緊力，以此完成基于ANSYS的液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。

2 實驗對比

為了驗證提出方法的性能，設(shè)計實驗，首要任務(wù)是選取實驗對象。選取新疆吐魯番某電站中用于尾水閘門操作的液壓啟閉機作為實驗對象。液壓啟閉機為長桿液壓油缸，通過短拉桿與閘門相連接，容量為5000/2000kN，工作行程為7m，可現(xiàn)場操作或遠程操作。該啟閉機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 實驗液壓機主要技術(shù)參數(shù)

表1為此次實驗中應(yīng)用到的液壓啟閉機，應(yīng)用本次研究的方法對該液壓啟閉機的機架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。并為了保證實驗的嚴謹性，也采用了文獻[1]中的100MN液壓鍛造機預(yù)緊組合式機架的有限元分析方法、文獻[2]中的大型液壓機機架鑄造工藝數(shù)值模擬方法對該實驗液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對比本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后的最大應(yīng)力、結(jié)構(gòu)最大位移、結(jié)構(gòu)重量與結(jié)構(gòu)振動固有頻率，以驗證本文的研究方法是否有效。

2.1 最大應(yīng)力對比

采用本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后，啟閉機機架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 最大應(yīng)力對比

分析圖3可知，經(jīng)本文研究的方法優(yōu)化后的機架最大應(yīng)力值，較兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后的應(yīng)力值低，說明本文研究的優(yōu)化方法改善了機架的受力分布。

2.2 結(jié)構(gòu)最大位移對比

采用本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)的最大位移情況見表2。

表2 結(jié)構(gòu)最大位移情況對比

分析表2可知，此次研究的優(yōu)化方法優(yōu)化后機架結(jié)構(gòu)的位移情況明顯少于傳統(tǒng)方法，說明該方法能夠改善機架結(jié)構(gòu)的位移情況。

2.3 結(jié)構(gòu)自重對比

用本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)自重情況對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)自重情況對比

由圖4可知，此次研究的優(yōu)化方法優(yōu)化后自重比傳統(tǒng)方法的自重少，說明此次研究的方法能夠減少結(jié)構(gòu)重量，從而能夠降低機架成本。

2.4 結(jié)構(gòu)振動固有頻率對比

采用本文的研究方法與兩種傳統(tǒng)方法優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)振動固有頻率對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 振動固有頻率對比

由圖5可知，此次研究的方法優(yōu)化后的液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)的固有頻率有所提高，相比傳統(tǒng)方法優(yōu)化優(yōu)化效果較為顯著。

綜上所述，此次研究的基于ANSYS的液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法較傳統(tǒng)的100MN液壓鍛造機預(yù)緊組合式機架的有限元分析方法、大型液壓機機架鑄造工藝數(shù)值模擬方法優(yōu)化效果好。不僅降低了啟閉機機架的最大應(yīng)力，還改善了結(jié)構(gòu)位移情況與振動固有頻率，并且降低了液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)重量。原因是，此次研究的方法應(yīng)用了ANSYS軟件建立了液壓啟閉機機架有限元分析模型，對液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)模態(tài)分析，然后對機架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，從而提高了啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化效果。

3 結(jié)語

本文從理論上說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學過程，然后利用ANSYS軟件中的高級優(yōu)化方法對某一具體實例進行拓撲優(yōu)化。然后設(shè)計了一個基于ANSYS的液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法，并通過實驗驗證了此次研究的方法的有效性。優(yōu)化后的液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)的強度和材料的利用率都有所提高，結(jié)構(gòu)更加合理，達到了優(yōu)化目的，對液壓啟閉機機架結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有一定的參考意義。但是由于研究時間的限制，此次研究的優(yōu)化方法還存在一定的不足，應(yīng)采取相應(yīng)措施防止其頻率交叉，避免發(fā)生共振，這一部分是后續(xù)重點研究的內(nèi)容。