斗輪堆取料機俯仰結構的有限元分析及優化設計

任裕鋒

（湖南長重機器股份有限公司，長沙 410201）

斗輪堆取料機的俯仰結構由斗輪、前臂架、門柱架、平衡架和拉桿等構件組成，具有自重大、結構復雜等特點；同時，受到斗輪堆取料機工作環境的影響，對俯仰結構的強度、剛度等特性提出了嚴格要求。為了更好地滿足礦料或貨物的連續裝卸要求，并且達到降低使用成本的目的，需要建立斗輪堆取料機俯仰結構的有限元模型，在模型分析的基礎上進行優化設計，從而實現機械產品的不斷改良。在機械設備建模方面，UG軟件具有操作簡單、功能豐富等特點，本文使用UG NX12.2 軟件建立斗輪堆取料機俯仰結構的實體模型，將模型文件再導入到HyperMesh10.0 中，得到有限元模型并進行分析。

1 斗輪堆取料機俯仰結構有限元模型的構建

1.1 幾何清理

本文使用UG 三維建模軟件構建斗輪堆取料機俯仰結構的模型。考慮到俯仰結構具有板殼數量多、精密程度高等特點，需要通過幾何清理保證網格劃分時的連續性，提高建模質量。在建立俯仰結構的幾何模型后，以IGES 格式保存，并將模型文件導入到HyperMesh軟件中。利用HyperMesh 軟件對俯仰結構模型進行清理，例如對模型的細節處加以完善；去除多余線條，簡化模型等。以縫隙為例，俯仰結構的幾何模型中經常會出現相鄰構件之間存在較大縫隙的情況，可以使用HyperMesh 軟件中的幾何清理功能，對面進行縫合；然后再調用該軟件中的surface 功能，把小的曲面合并成大的曲面，通過壓縮共享邊的方式消除縫隙，從而提高建模質量。

1.2 單元選擇

俯仰結構的主要材料為鋼板，根據有限元理論從HyperMesh 軟件中選擇殼單元Shell63 模擬工字型界面，使用梁單元Belam44 模擬L 型鋼，使用質量單元Mess21 模擬前臂架上的平臺與欄桿，使用桿單元Link8 模擬俯仰結構前、后拉桿。彈性殼單元Shell63 的每個單元節點有6 個自由度，可同時承受面內載荷與法向載荷。這里以Shell63 單元為例，俯仰結構中的Shell63 單元滿足以下條件。

在俯仰結構中應力比較集中的區域，不得使用低階三角形單元，優先考慮低階的矩形或正方形單元，在網格劃分后能夠保證模型的精確性。高階單元在反映真實曲面或曲線邊界等方面具有更加顯著的優勢，但是計算量遠遠大于低階單元。因此，在滿足計算精度要求的前提下，本文選用低階四邊形單元劃分網格。俯仰結構局部無法使用低階四邊形單元的，使用三角形單元進行過渡。

1.3 網格劃分

有限元模型的網格質量決定了分析結果的可信度，精細的網格劃分是得到準確求解結果的必要前提。基于HyperMesh 軟件的網格劃分方法有2 種，即自動劃分法和交互式劃分法。前者是通過預設的單元尺寸對已經生成的三維模型進行網格劃分；后者則是靈活調整單元的布置密度，達到劃分網格目的[1]。本文對俯仰結構有限元模型進行網格劃分時，同時應用了2 種劃分方法。對于形狀比較規則的構件采用自動劃分法，對于構件之間的連接件采用交互劃分法。在確定網格劃分方法后，還要考慮網格數量、網格疏密度等因素。

1.3.1 網格數量

網格數量主要影響計算量和準確度，理論上來說網格數量越多，計算結果的準確度越高，但是相應的計算量也會增加，需要更多的求解時間。因此，在確定網格數量時，需要尋找一個臨界數量，在保證準確度達到要求的前提下，最大程度上減少計算量。本文對俯仰結構模型進行網格劃分時，采用了比較2 次不同數量網格求解結果的方式，如果求解結果差異明顯，則繼續增加網格數量，直到2 次求解結果相差不大時，說明當前網格數量合理。經過多次比較后，最終確定斗輪堆取料機俯仰結構模型中殼單元數量為49 400 個，梁單元數量為3 250 個，桿單元為5 個，剛性單元40 個，質量單元200 個。

1.3.2 網格疏密度

結合斗輪堆取料機的結構組成和運行特點，不同位置所受應力也有明顯差異，這就意味著該模型不同部位的網格密度也存在差異。對比來看，前臂架、平衡架處工字型腹板結構較為簡單，受力均勻，這種位置用比較稀疏的網格即可；結構吊耳及各個構件的連接處應力變化明顯，受力不均勻，這種位置必須使用密集網格。劃分網格后的斗輪有限元模型如圖1 所示。

圖1 斗輪有限元模型

1.4 材料特性

斗輪堆取料機俯仰結構是由不同型號的鋼板、型鋼焊接形成，材質主要有Q355 鋼和Q235 鋼2 種類型，俯仰結構材料屬性見表1。

表1 俯仰結構材料參數表

2 斗輪堆取料機俯仰結構的有限元分析

2.1 俯仰結構有限元分析方案

根據分析對象的不同，可以將俯仰結構的靜力分析方案分為2 種：其一是將俯仰結構看作一個整體進行有限元分析；其二是將俯仰結構拆分成若干個獨立部件，以每個獨立部件作為研究對象展開有限元分析。2 種方案各有優缺點，方案一的優點在于將銷軸連接看作接觸模擬，與實際情況更加吻合，缺點是需要在有限元模型中加入顯得銷軸和接觸，使模型變得更加繁瑣，計算量也進一步增加。因此，本文選擇方案二進行俯仰結構的有限元分析。將斗輪結構簡化成剛度較大的梁單元，從HyperMesh 軟件中選擇MPC184 剛性梁單元來模擬斗輪的重量和阻力，達到載荷傳遞的效果。

2.2 斗輪的載荷施加與邊界處理

斗輪的載荷由2 部分構成，一部分是斗輪自身重量產生的自重載荷；另一部分是作用在輪體上的挖掘阻力載荷。在斗輪靜力分析時分別考慮正常工況和超載工況下的受力情況。挖掘阻力載荷作用于輪體料斗的外側邊緣位置，邊界條件為在輪體中心處施加完全位移約束，約束對象為所有構件的自由度[2]。

2.3 輪體的靜力分析結果

如上文所述，斗輪采用全殼單元模擬，強度評價采用第四強度理論，觀察斗輪在正常挖掘阻力和超載挖掘阻力2 種工況下的等效應力圖和位移圖，結果如下。

2.3.1 等效應力方面

在正常挖掘阻力下，輪體結構所受的最大等效應力為37.5 MPa；在超載挖掘阻力下，輪體結構所受的最大等效應力為54.8 MPa。斗輪堆取料機俯仰結構的主體部分為Q355 鋼材，容許應力為177.5 MPa。對比可以發現，斗輪的最大等效應力明顯低于容許應力。

2.3.2 位移方面

在正常挖掘阻力下，輪體結構出現的最大位移為3.11 mm；在超載挖掘阻力下，輪體結構出現的最大位移為3.83 mm，并且位移主要出現在外邊緣處，這與挖掘阻力荷載的作用位置相符合。斗輪的直徑為5.5 m，位移值遠低于斗輪直徑，這一數據表明輪體的剛度能滿足要求。

2.4 俯仰結構的靜力分析結果

本文對斗輪堆取料機的俯仰結構進行靜力分析。結合分析結果，能夠掌握俯仰結構中關鍵部件（如臂架、門柱架、拉桿）的位移信息。在此基礎上，結合臂架、平衡架等構件的撓度值，可以進一步求出俯仰結構各個部件在靜力作用下的最大剛性位移，從而根據位移值判斷俯仰結構的剛度是否達標[3]。本文對俯仰結構分析結果進行后處理時，選擇了HyperView 軟件。由于該軟件與建模軟件HyperMesh 同屬于一家公司，由HyperMesh 生成的建模文件可以直接在HyperView 軟件中打開，解決了不兼容的問題。選擇ANSYS13.5 作為求解器，在Hyper－View 軟件中提取出俯仰結構的單個部件并展開后處理。判斷后處理得到的計算結果，如果符合要求則結束本次靜力分析，如果不符合要求則返回施加載荷程序。俯仰結構的靜力分析流程如圖2 所示。

圖2 俯仰結構的靜力分析流程圖

俯仰結構的靜力分析結果表明，俯仰結構的最大軸向力為671.6 kN，最大軸向應力為64.9 MPa。在水平狀態超載取料工況下，最大軸向應力小于容許應力（177.5 MPa），故俯仰結構的強度符合要求。

3 斗輪堆取料機俯仰結構的優化設計

3.1 前臂架的優化流程

為了進一步提高產品性能，在產品設計成型后還要針對產品的細節處進行優化設計，達到減輕損耗、節約成本、改善性能等效果。本文選擇斗輪堆取料機俯仰結構中的前臂架作為研究對象，探討結構優化設計方案。結合前臂架的主要功能和受力特點，初步確定從成本、強度、重量等方面進行優化。可供選擇的優化方法有2 種：一種是數學規劃法，其核心是在當前設計方案的基礎上，確定優化方向，然后利用逼近函數不斷逼近最優設計；另一種是優化準則法，其核心是選擇剛度、強度等作為優化準則，建立結構優化的迭代公式，通過多次迭代后得到最優參數，并根據最優參數設計優化方案。本文選擇優化準則法，并借助于Ansys 軟件中的Design Explorer 模塊完成多目標驅動優化[4]。

在優化前，俯仰結構前臂架的強度存在一定余量，其主體結構形式為“工”字型。這種結構雖然能夠提供較強的承載力和穩定性，但是重量較大。因此，本文以重量作為優化方向，通過參數優化設計讓俯仰結構向輕量化方向改進。優化思路如下：在保證前臂架的強度、剛度均符合設計要求的前提下，向前臂架的上下翼緣和左右腹板均勻施加載荷，以翼緣和腹板厚度作為設計變量，以前臂架總重量作為優化目標，得出結構在厚度方向上的最優分布。基于Ansys 的前臂架優化流程如圖3 所示。

圖3 基于Ansys 軟件的俯仰結構前臂架優化流程圖

3.2 輸入輸出參數的確定

在前臂架的優化設計中，將設計變量作為輸入參數。這里共選擇了4 個設計變量，分別是上翼緣厚度（P1）、下翼緣厚度（P4）、左腹板厚度（P3）和右復板厚度（P7）。設計變量的初始值為P1=P4=15 mm，P3=P7=10 mm。輸出參數有2 個，分別是前臂架的最大等效應力（P6）和模型總質量（P5）。

3.3 優化結果

在確定優化方案和輸入輸出參數后，使用Ansys軟件中的Design Explorer 模塊進行前臂架結構優化。設置優化條件為：群體規模10 000；交叉概率0.8，變異概率0.05；迭代次數500 次[5]。在施加載荷和約束時，在前臂架右側的軸銷孔處施加位移約束，在左側吊耳處施加拉桿拉力，其他附屬件則施加自重載荷。優化前后輸入和輸出參數的對比結果見表2。

表2 優化前后結果對比

由表2 數據可知，在不改變俯仰結構前臂架最大等效應力的前提下，前臂架的重量從原來的21 767 kg變為18 240 kg，減輕了3 527 kg，重量減幅達到了16.2%，優化效果明顯。進一步對比優化前后的等效應力圖，可以發現優化后前臂架的強度滿足要求，說明本次優化方案達到了預期效果。

4 結束語

斗輪堆取料機在實際應用中，由于自重較大會消耗更多的能量，再加上設備需要長時間連續作業，導致使用成本升高。因此，在保證斗輪堆取料機俯仰結構的強度、剛度滿足安全作業需求的前提下，最大程度上減輕自身重量，能夠達到節能降本的效果。參照斗輪堆取料機的實體裝置，使用UG 模型建立仿真三維模型，然后在將模型文件導入HyperMesh 軟件中得到有限元模型。利用該軟件提供的功能模塊展開有限元分析，并根據分析結果設計了俯仰結構中前臂架的優化方案。結果表明，在等效應力相同的前提下，優化設計后的前臂架重量減少了3 527 kg，降幅達到了16.2%。優化后，斗輪堆取料機俯仰結構的運行能耗將會得到降低，節約了設備使用成本。