基于ANSYS的EBH-360型掘进机回转台的拓扑优化设计

关满杰 马星楠 张 凯 程 佳

（1.中国人民解放军65667部队 77分队，辽宁 阜新 123000；2.北方重工集团有限公司煤矿机械分公司，辽宁 沈阳 110141；3.北方重工设计研究院，辽宁 沈阳 110141）

0 引言

回转台是EBH-360型掘进机的重要部件，它连接机架，支撑截割臂，实现截割头的钻进掏槽、扫落煤岩、截割臂的升降、回转等各项运动，并承受来自截割头的复杂多变的冲击载荷[1]。回转台的合理结构决定掘进机的工作性能及整机的稳定性，其结构强度、刚度不足将造成截割性能的降低和疲劳断裂。在传统的设计中，回转台的设计主要靠设计经验和经验公式来进行，为了增大回转台的强度，安全系数的选择往往偏大，造成制造材料的浪费，因此很有必要对回转台进行优化设计，为生产厂家降低制造成本、提高利润[2]。

优化设计的方法很多种，如目标优化、拓扑优化等，本文采用拓扑优化的方法对回转台进行优化设计。

1 回转台三维模型建立及有限元静力分析

本文直接在ANSYS中建立回转台的三维模型，为有利于有限元分析，对其进行合理简化，将不必要的小孔、凸台、沉孔、倒圆角等都去掉。选择单元类型为Solid45单元，采用自由划分，设置单元尺寸长度为40 mm并对易发生应力集中的部位进行细化，划分网格[3]。本掘进机回转台为铸造件，材料为铸钢ZG35CrMo，调质处理后其屈服强度σs≥510MPa，选用安全系数 n=1.5，计算可得许用安全应力[σ]：

[σ]=σs/n=510/1.5=340 MPa （1）

图1 回转台的位移应力变化云图1

图2 回转台的位移应力变化云图2

只有保证回转台在极限工况下的最大应力值均小于安全应力，才能进行安全。

本文根据工作实际情况确定回转台的两个极限位置：1）截割臂处于水平位置，向右摆动；2）右侧截割头受力,截割臂处于垂直力最大位置；最终分析所得的结果如图1、图2。

由图1可知，回转台的大部分都是37MPa，而且最大的应力为167MPa。由图2可知，回转台的大部分都是35MPa，而且最大的应力为157MPa。

根据以上计算结果可以得到以下两个结论：

1）通过计算的结果可以确定回转台的静强度条件是充分满足的，不会在回转台工作时发生过载。

2）其次，由于图1、图2中的低应力区域过多，且应力较大区域较少，并且最大应力远小于原材料的屈服强度，因此可以认为原设计过于保守，造成材料浪费，回转台的结构有进一步改进的必要。

2 拓扑优化设计及其分析

图3 拓扑优化的密度云图1

图4 目标函数历程曲线

本文采用的是以线性静力结构分析为基础的拓扑优化，然后使用ANSYS为用户缺省定义的目标函数和约束条件，即将柔量定义为目标函数，体积作为约束条件。在明确优化问题和定义了拓扑优化函数之后，选择优化判据法(OC)作为求解方法。 在完成以上三个步骤以后，采用一次迭代命令，优化迭代的收敛公差设定为0·0001，优化迭代次数指定为20次。

在默认情况下，ANSYS将绘出结构受力变形情况，并使用9色等值线图进行拓扑结构的绘制。为了使分析后的材料情况一目了然，选择将等值线图设置为双色，并采用不显示变形结果，迭代计算后的拓扑优化密度云图如图3。

ANSYS拓扑优化的结果输出为密度云图，密度值为1的位置，对应密度图上的灰色区域(彩图中为红色)，表示进行结构设计时该处应该布置结构；密度值为0·001的位置，对应密度图上的黑色区域(彩图中为蓝色)，表示进行结构设计时该处不需布置结构。以上是两类极限情况，还有一些介于两值之间的颜色区域，已进行一些必要的处理，将其归入到两类中。根据密度云图看出回转台后侧部分区域基本不受力，可以将其部分体积去掉，以达到减少体积降低成本的作用。

由回转台拓扑优化后的目标函数历程曲线图可以看出，回转台在满足技术要求的条件下，体积减少量为12%，最大变形量减少为45%，这有效的节省了回转台的材料，从而为生产厂家降低制造成本，创造更多的利润。

3 结论

本文对极限载荷作用下的EBH-360型掘进机回转台进行有限元应力分析，并根据计算结果校核了回转台的的静强度，然后使用ANSYS中的拓扑优化模块对回转台进行拓扑优化，优化结果为体积减少12%，变形量减少45%，这为后续回转台改进结构、节省材料、降低成本提供有力的参考依据。

［1］黄日恒.悬臂式掘进机[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.

［2］程佳,毛君,关满杰,等.EBZ-160型掘进机回转台的有限元应力分析[J].煤矿机械,2008,11:61-62.

［3］东方人华.ANSYS7.0入门与提高[M].北京:清华大学出版社,2004,7.