基于ANSYS的帶式輸送機滾筒改進設計分析

劉曉花

摘要：本文用實體建模軟件SolidWorks建立滾筒的三維模型，ANSYS Workbench 有限元分析軟件對帶式輸送機滾筒進行優化設計分析。設計中，以板厚和軸徑為研究變量，目標函數為滾筒質量，約束條件為應力，在此基礎上實施優化設計。優化前后對比，滾筒總重量減少499.3kg，大大減輕了滾筒的重量，降低了投資的材料成本，更加符合實際工況要求，達到了低碳環保、節能減排的設計理念。

關鍵詞：ANSYS;帶式輸送機滾筒;改進設計

0 引言

滾筒做為帶式輸送機的重要組成部分，其屬于核心受力部件。工作時主要起傳輸和換向作用，由于其在帶式輸送機中的重要性，滾筒也成為影響整個機器系統和操作員人身安全的重要因素。

由于數值模擬的困難，企業或研究機構通常借助先進的有限元方法分析滾筒的強度、剛度、模態等指標。目前，我國滾筒設計的有限元分析主要集中在對單個零件的結構進行簡單分析，優化或設計單個零件中的一些參數，如：厚度、直徑，考慮單一參數對滾筒特性所造成的影響。由于滾筒是由多個零件組成，就需要分析每個參數對滾筒性能的影響，并進行驗證，這就導致優化設計的速度緩慢，加速了資源的浪費。為了解決這個問題，必須要檢核滾筒強度分析方法與過程、精度分析方法與過程，借助ANSYS Workbench 中的Design Exploration 模塊，結合靜力學分析，自動生成變量參數，以此確定參數對設計目標的敏感度，判斷優化數值，選擇敏感度較高的變量，以此實現滾筒的優化設計。

1 帶式輸送機滾筒靜力學分析

滾筒安全系數過高這一問題，需要將滾筒質量作為目標函數，由于安裝位置及空間無法更改，滾筒質量需要結合零件厚度確定，在滾筒整體結構進行優化設計前，需要對滾筒的靜力學進行分析。通過靜力學分析，掌握滾筒受力之后的最大應力，就可了解滾筒的變形、作用力等情況。形成參數化仿真結果，為后期滾筒結構優化設計奠定數據基礎。通過強度分析，可判斷出對滾筒應力影響最大及最敏感參數組合，優化滾筒參數的靈敏度。

1.1 建立滾筒三維模型

根據滾筒結構及尺寸，本文研究對象為長度1150mm、帶寬2100mm滾筒，通過SolidWorks三維建模軟件建立滾筒模型，為提升仿真結構的精準性，簡化圓角、倒角和圓孔等非關鍵部位，確保滾筒的關鍵特性，形成簡化的三維模型，如圖1所示。

1.2 材料屬性及單元選擇

在滾筒材料特性基礎上，滾筒材料屬性為Q 275普通碳素結構鋼，材料參數如下表1。

在確定單元分類對有限元分析的基礎上，考慮滾筒受力荷載，滾筒實體部分，選擇solid185三維實體單元，腹板、殼體等一些板狀構件，選擇shell181單元。

1.3 網格劃分及受力加載

ANSYS Workbench 基礎上的掃掠網格劃分，單元為3mm，總共45584 個節點，網格劃分為53572 單元，如下圖2所示。

滾筒工作時承受傳送帶的張力、傳輸端產生的扭矩和自身重力。輸送帶張力分解為法向載荷Pθ和切向摩擦力fθ，摩擦力作用于輸送帶與滾筒的接觸面上，在輸送帶與滾筒的圍包角內滿足歐拉公式的變化。

兩種載荷大小為：

式中：

S—滾筒和皮帶分離點的張力，單位：N;

μ-摩擦系數;B-皮帶寬度，單位：mm;

D-皮帶厚度，單位：mm;

經計算 S=70500N，μ=0.36。

1.4 滾筒靜強度分析結果

應用第四強度理論評估滾筒的靜強度，得到滾筒等效應力云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，受到法向荷載、切向荷載的影響，滾筒最大應力為36.93MPa，作用在滾筒兩端，此結果與理論分析結果相似。內部應力強度值低于材料屈服強度（275MPa），安全系數為5，超過工程要求。因此，有必要對滾筒進行優化。

2 優化設計流程

滾筒質量優化設計本身為多目標與多變量問題，會受到強度條件的限制，需要滿足最低質量的目標。與此同時，確定變量的變化范圍，在多變量基礎上，存在著較多的可變參數組合，優化設計主要是為找到滿足要求的最優參數組合。ANSYS Workbench本身是優化產品設計、開發工具的設計，其可自動設計參數組合，能夠確定參數優化設計最敏感目標。基于此，其可迅速的找到最佳參數組合，能夠使迭代計算次數減少，優化設計過程如下圖4所示。

優化設計過程分為兩部分：

在ANSYS Workbench基礎上，建立參數化模型，確定優化參數的變化區間。

根據優化設計工具，將設計參數改變，重新組合，結合靜力學分析結果，判斷參數對優化設計目標的敏感度，找到變量最佳組合，檢驗優化結果。

3 帶式輸送機滾筒優化設計

3.1 設置優化變量及其變化范圍

在滾筒參數化建?；A上可得知，其質量取決于筒殼和腹板的厚度以及軸座半徑，將這三項參數值做為優化變量。筒殼厚度t初始值設定為為20mm，腹板厚度t1為35mm，軸座曲率半徑R為275mm。提出了優化設計變量的參數范圍，如表2所示。根據計算，優化前滾筒的質量為3292.5kg。

3.2 變量組合設計及敏感度分析

design exploration模塊內調用目標，驅動優化工具，確定參數變化范圍，Goal Driven Optimization 工具可自動生成參數組合及應力、變形值。在靜力學分析結論基礎上，確定模型參數對質量和應力的敏感度?？色@得結論，應力、質量、總變化對腹板厚度t的敏感度最高，通過優化工具獲得參數的最佳組合（即t=17，T1=25，d=585），結合參數組合，建立相應的滾筒模型，在靜力學分析基礎上，獲取分析結果。如圖 5 所示。

優化之后的滾筒，最大應力集中在滾筒軸兩端，最大應力值為55.41Mpa，質量為2793.2kg。滾筒優化前后對比分析，優化前滾筒質量為3292.5kg，最大應力為35.93Mpa。優化后，滾筒軸兩端的應力增大，但仍遠低于材料的屈服強度275MPa。同時，滾筒質量也降低了499.3kg。

結論

綜上所述，通過有限元分析軟件，找到了最優變量參數的組合，對滾筒進行減重優化設計，達到了更好的輕量化設計效果。帶式輸送機滾筒累計減重499.3kg，減重幅度為14.7%，說明該方案是正確可行的。滾筒質量的明顯下降也有效地降低了滾筒的生產成本和材料消耗。從最大應力遠小于屈服強度的角度來分析，滾筒的重量仍有輕量化的余地，可通過驗證其它參數對滾筒強度、剛度等性能的影響。本文基于 Ansys Workbench 中的Design Exploration 模塊，得到了正確、可行的優化設計方法，為帶式輸送機滾筒進一步輕量化設計提供了思路。

參考文獻：

[1]李欣.帶式輸送機重載改向滾筒改進設計[J].煤礦機械，2020，41（11）：99-101.

[2]張銘洋.基于ANSYS的帶式輸送機滾筒改進設計[J].山東煤炭科技，2019（11）：152-154.

2021年甘肅省高等學校創新基金項目：《基于ANSYS的帶式輸送機換向滾筒有限元分析及結構優化設計》 項目編號：2021A-293