堆取料机臂架的研究

2014-06-14 13:46陈必胜
科技创新导报 2014年2期
关键词:桁架尺寸

陈必胜

摘 要:桁架自重轻、造价低。连续体拓扑优化能够在已知边界和载荷条件下确定最佳形状方案。均匀化方法是一种成熟的连续体拓扑优化方法。

关键词:拓扑 尺寸 ANSYS 桁架

中图分类号:TU323.4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)01(b)-0028-01

1 原臂架分析

臂架是悬臂胶带机的支承件,由两个工字梁构成,用角钢连接成整体。主要抵抗自重及胶带机各部件的载荷。因各段受力不同,腹板采取变截面形式,其后部设有配重系统(如表1)。[1]

2 臂架优化

对于臂架前部,优化时需要控制其外轮廓形状,因此优化时将外轮廓框架设定为非设计域。

第一章中分析的臂架共有三种工况,为了使拓扑结果满足实际使用要求,优化时同样需要考虑这三种工况。

(1)腹板拓扑优化

在ANSYS中,采用建立腹板前部平面有限元模型,划分单元时腹板边框非设计域与设计域采用不同的单元类型号,设计域采用类型号为1的单元进行平面网格划分,非设计域采用单元类型号为2的单元划分。

将腹板前部与后部结合处作为约束;

综合空载水平、满载上仰和满载下附三种载荷工况,加权系数1,1,2;

结构刚度最大化为优化目标,去除材料体积60%作为约束。如图臂架前部腹板拓扑优化结果。

优化获得如图1所示的腹板前部桁架结构。结果表明材料分布的趋势为约束端部需要较多材料,而前部则较少,腹板设计域基本形成桁架结构,但形式不清晰。

为了获得较清晰的结构,采取对腹板进行分段优化的方法。

(2)腹板中段优化

单独取腹板中段,约束位置与整段相同,载荷除了腹板上部的均布载荷外,在连接处需要施加支反力、支反力矩,材料去除50%。

(3)腹板前段优化

单独取腹板前段,将前段与中段的连接部位作为约束,去除材料60%。

3 基于优化结果的结构及分析

针对上述优化结果,使臂架强度和刚度控制在合理范围内,使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗弯,根据我公司实际情况,大部分产品采用板梁结构,有些废料的尺寸也非常大,可以考虑综合利用。

依据拓扑优化的结果,臂架截面我们采用双工字梁结构,每侧工字梁上下采用T形结构,采用钢板焊接而成,臂架中段和前段的主梁截面采用上图所示的T形截面,根据截面尺寸优化结果,中段截面尺寸为240×240×20×26,前段截面尺寸为240×240×16×10,三维模型如图2。

在ANSYS中,我们对新结构建立有限元模型并分析。从结果上看,臂架的最大应力在臂架的铰座及油缸铰座附近,与原结构的最大应力位置大体相同。最大应力为132 MPa,而原始结构的最大应力为106 MPa。虽然应力有所变大,但是在材料的极限范围内。

从变形分析的结果上看,臂架的最大变形依然出现在臂架的前部附近,与原始结构的最大应力位置相同。最大变形为59 mm,而原结构的最大变形为101 mm。在变形方面,有了较大的改善(减小41.1%)。这是由于原臂架在前端自身较重,在加之挡料板等较大部件的集中载荷,使得前端的变形较大。

从模态分析结果上看,臂架的固有频率变化较大,变动的幅度有所提高。考虑到计算误差及设备结构的因素,优化后的结构虽对模态产生一定的影响,但是考虑其经济性及使用,可以接受。由于结构优化以减重为主,计算时也以位移作为约束,所以对模态而言没有明显的优化作用。

优化后的模型在质量上减少16%,变形也得到改善。应力虽然较原模型大,也可接受,达到了预期的目的。

综上,主要工作在于将拓扑优化技术应用在钢结构优化中。如果将其推广到堆取料机中的桥梁、中柱等结构也将得到优化,定会给企业带来可观的经济效益。相信随着有限元技术和优化理论不断发展,被广大工程技术人员所接受,拓扑优化技术必将为更复杂的问题提供解决方案,为企业做出巨大的贡献。

参考文献

[1] 徐伟.工程车辆车架的拓扑优化与减重设计.

[2] 李群.物料搬运与分析技术.endprint

摘 要:桁架自重轻、造价低。连续体拓扑优化能够在已知边界和载荷条件下确定最佳形状方案。均匀化方法是一种成熟的连续体拓扑优化方法。

关键词:拓扑 尺寸 ANSYS 桁架

中图分类号:TU323.4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)01(b)-0028-01

1 原臂架分析

臂架是悬臂胶带机的支承件,由两个工字梁构成,用角钢连接成整体。主要抵抗自重及胶带机各部件的载荷。因各段受力不同,腹板采取变截面形式,其后部设有配重系统(如表1)。[1]

2 臂架优化

对于臂架前部,优化时需要控制其外轮廓形状,因此优化时将外轮廓框架设定为非设计域。

第一章中分析的臂架共有三种工况,为了使拓扑结果满足实际使用要求,优化时同样需要考虑这三种工况。

(1)腹板拓扑优化

在ANSYS中,采用建立腹板前部平面有限元模型,划分单元时腹板边框非设计域与设计域采用不同的单元类型号,设计域采用类型号为1的单元进行平面网格划分,非设计域采用单元类型号为2的单元划分。

将腹板前部与后部结合处作为约束;

综合空载水平、满载上仰和满载下附三种载荷工况,加权系数1,1,2;

结构刚度最大化为优化目标,去除材料体积60%作为约束。如图臂架前部腹板拓扑优化结果。

优化获得如图1所示的腹板前部桁架结构。结果表明材料分布的趋势为约束端部需要较多材料,而前部则较少,腹板设计域基本形成桁架结构,但形式不清晰。

为了获得较清晰的结构,采取对腹板进行分段优化的方法。

(2)腹板中段优化

单独取腹板中段,约束位置与整段相同,载荷除了腹板上部的均布载荷外,在连接处需要施加支反力、支反力矩,材料去除50%。

(3)腹板前段优化

单独取腹板前段,将前段与中段的连接部位作为约束,去除材料60%。

3 基于优化结果的结构及分析

针对上述优化结果,使臂架强度和刚度控制在合理范围内,使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗弯,根据我公司实际情况,大部分产品采用板梁结构,有些废料的尺寸也非常大,可以考虑综合利用。

依据拓扑优化的结果,臂架截面我们采用双工字梁结构,每侧工字梁上下采用T形结构,采用钢板焊接而成,臂架中段和前段的主梁截面采用上图所示的T形截面,根据截面尺寸优化结果,中段截面尺寸为240×240×20×26,前段截面尺寸为240×240×16×10,三维模型如图2。

在ANSYS中,我们对新结构建立有限元模型并分析。从结果上看,臂架的最大应力在臂架的铰座及油缸铰座附近,与原结构的最大应力位置大体相同。最大应力为132 MPa,而原始结构的最大应力为106 MPa。虽然应力有所变大,但是在材料的极限范围内。

从变形分析的结果上看,臂架的最大变形依然出现在臂架的前部附近,与原始结构的最大应力位置相同。最大变形为59 mm,而原结构的最大变形为101 mm。在变形方面,有了较大的改善(减小41.1%)。这是由于原臂架在前端自身较重,在加之挡料板等较大部件的集中载荷,使得前端的变形较大。

从模态分析结果上看,臂架的固有频率变化较大,变动的幅度有所提高。考虑到计算误差及设备结构的因素,优化后的结构虽对模态产生一定的影响,但是考虑其经济性及使用,可以接受。由于结构优化以减重为主,计算时也以位移作为约束,所以对模态而言没有明显的优化作用。

优化后的模型在质量上减少16%,变形也得到改善。应力虽然较原模型大,也可接受,达到了预期的目的。

综上,主要工作在于将拓扑优化技术应用在钢结构优化中。如果将其推广到堆取料机中的桥梁、中柱等结构也将得到优化,定会给企业带来可观的经济效益。相信随着有限元技术和优化理论不断发展,被广大工程技术人员所接受,拓扑优化技术必将为更复杂的问题提供解决方案,为企业做出巨大的贡献。

参考文献

[1] 徐伟.工程车辆车架的拓扑优化与减重设计.

[2] 李群.物料搬运与分析技术.endprint

摘 要:桁架自重轻、造价低。连续体拓扑优化能够在已知边界和载荷条件下确定最佳形状方案。均匀化方法是一种成熟的连续体拓扑优化方法。

关键词:拓扑 尺寸 ANSYS 桁架

中图分类号:TU323.4 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)01(b)-0028-01

1 原臂架分析

臂架是悬臂胶带机的支承件,由两个工字梁构成,用角钢连接成整体。主要抵抗自重及胶带机各部件的载荷。因各段受力不同,腹板采取变截面形式,其后部设有配重系统(如表1)。[1]

2 臂架优化

对于臂架前部,优化时需要控制其外轮廓形状,因此优化时将外轮廓框架设定为非设计域。

第一章中分析的臂架共有三种工况,为了使拓扑结果满足实际使用要求,优化时同样需要考虑这三种工况。

(1)腹板拓扑优化

在ANSYS中,采用建立腹板前部平面有限元模型,划分单元时腹板边框非设计域与设计域采用不同的单元类型号,设计域采用类型号为1的单元进行平面网格划分,非设计域采用单元类型号为2的单元划分。

将腹板前部与后部结合处作为约束;

综合空载水平、满载上仰和满载下附三种载荷工况,加权系数1,1,2;

结构刚度最大化为优化目标,去除材料体积60%作为约束。如图臂架前部腹板拓扑优化结果。

优化获得如图1所示的腹板前部桁架结构。结果表明材料分布的趋势为约束端部需要较多材料,而前部则较少,腹板设计域基本形成桁架结构,但形式不清晰。

为了获得较清晰的结构,采取对腹板进行分段优化的方法。

(2)腹板中段优化

单独取腹板中段,约束位置与整段相同,载荷除了腹板上部的均布载荷外,在连接处需要施加支反力、支反力矩,材料去除50%。

(3)腹板前段优化

单独取腹板前段,将前段与中段的连接部位作为约束,去除材料60%。

3 基于优化结果的结构及分析

针对上述优化结果,使臂架强度和刚度控制在合理范围内,使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗弯,根据我公司实际情况,大部分产品采用板梁结构,有些废料的尺寸也非常大,可以考虑综合利用。

依据拓扑优化的结果,臂架截面我们采用双工字梁结构,每侧工字梁上下采用T形结构,采用钢板焊接而成,臂架中段和前段的主梁截面采用上图所示的T形截面,根据截面尺寸优化结果,中段截面尺寸为240×240×20×26,前段截面尺寸为240×240×16×10,三维模型如图2。

在ANSYS中,我们对新结构建立有限元模型并分析。从结果上看,臂架的最大应力在臂架的铰座及油缸铰座附近,与原结构的最大应力位置大体相同。最大应力为132 MPa,而原始结构的最大应力为106 MPa。虽然应力有所变大,但是在材料的极限范围内。

从变形分析的结果上看,臂架的最大变形依然出现在臂架的前部附近,与原始结构的最大应力位置相同。最大变形为59 mm,而原结构的最大变形为101 mm。在变形方面,有了较大的改善(减小41.1%)。这是由于原臂架在前端自身较重,在加之挡料板等较大部件的集中载荷,使得前端的变形较大。

从模态分析结果上看,臂架的固有频率变化较大,变动的幅度有所提高。考虑到计算误差及设备结构的因素,优化后的结构虽对模态产生一定的影响,但是考虑其经济性及使用,可以接受。由于结构优化以减重为主,计算时也以位移作为约束,所以对模态而言没有明显的优化作用。

优化后的模型在质量上减少16%,变形也得到改善。应力虽然较原模型大,也可接受,达到了预期的目的。

综上,主要工作在于将拓扑优化技术应用在钢结构优化中。如果将其推广到堆取料机中的桥梁、中柱等结构也将得到优化,定会给企业带来可观的经济效益。相信随着有限元技术和优化理论不断发展,被广大工程技术人员所接受,拓扑优化技术必将为更复杂的问题提供解决方案,为企业做出巨大的贡献。

参考文献

[1] 徐伟.工程车辆车架的拓扑优化与减重设计.

[2] 李群.物料搬运与分析技术.endprint

猜你喜欢
桁架尺寸
桁架式吸泥机改造
尺寸
CIIE Shows Positive Energy of Chinese Economy
某大型钢结构厂房桁架制作
摆臂式复合桁架机器人的开发
D90:全尺寸硬派SUV
Loader轴在双机桁架机械手上的应用
矮寨特大悬索桥钢桁架安装
佳石选赏
佳石选赏