基于ANSYSWorkbench的蒸压砖机下横梁结构优化设计

蒋淮同，李 明，李 亮，陆宝春

(1.江苏腾宇机械制造有限公司，江苏宿迁 223812)(2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

大型粉煤灰蒸压砖机是一种将砂子、粉煤灰、矿渣、水泥等原料压制成型的多功能压力机械，它可以通过更换不同模具生产标准砖、空心砖、盲孔砖等各种建筑和生活用砖，实现工业废渣的综合利用，广泛应用于新型建材行业。

蒸压砖机主机由上下横梁、立柱、上下活动梁等组成，上下压头对模框中的粉料进行双向加压成型。其中蒸压砖机下横梁(下称“下横梁”)作为重要部件，不仅承受整机的质量，其内腔还作为下油缸，受力情况复杂。传统设计采用材料力学与经验设计相结合的方法，为了保证可靠性，设计人员不得不加大安全系数，这就必然导致下横梁笨重且增加成本［1］;再者，传统设计方法不能全面反映下横梁的应力状态，比如局部的应力集中，而这恰恰是导致下横梁易被破坏的重要原因［2］。现代优化设计方法通过对结构进行有限元分析，准确地计算结构的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度分析的有力工具。

ANSYSWorkbench是一款大型通用有限元分析软件，它可以直接建立与CAD系统的双向参数互动关系，避免了APDL建模的繁琐操作，拥有丰富的材料库、单元库及求解器，在合理的边界条件下可以获得问题的精确解［3］。本文采用 ANSYS Workbench对下横梁进行有限元分析，得到下横梁的应力、变形图，根据分析结果对其进行优化。

1 下横梁结构有限元分析

1.1 结构简化

蒸压砖机下横梁采用铸钢ZG270－500铸造成型，在进行有限元分析前，需要对模型进行必要的简化，忽略吊耳、铸造圆角、螺纹孔等结构［4］，简化后的下横梁模型如图1所示。

图1 简化的下横梁模型图

1.2 模型参数化及网格划分

为了优化结构，需要对下横梁模型进行参数化设置。在CAD软件中建立下横梁模型，并以“DS”开头重命名需要优化的参数，使得模型导入ANSYSWorkbench中时优化变量就可以被识别，实现模型参数双向互动［3］。

下横梁结构比较复杂，采用软件自动网格划分，单元大小设为 0.06m，划分的单元总数为33 681，节点数为57 280。ZG270－500具有良好的强度和韧性，其材料密度为7 720kg/m3，泊松比为 0.27，弹性模量为 215.00GPa，屈服强度为270.00MPa。

1.3 约束及载荷

下横梁通过立柱、螺母与液压机的活动梁、上横梁连接，液压机工作时，下横梁主要受油压力和立柱螺母的约束力。油压力均匀分布在液压油与下横梁接触的内壁上，大小为31.50MPa，方向垂直于内壁表面。在螺母与下横梁接触的环形面上施加6个自由度的全约束。

1.4 有限元分析结果

下横梁的应力云图如图2所示，其最大等效应力位于螺母与下横梁接触的环形面上，大小为149.09MPa，由于接触面较小，故此处等效应力值较大，为应力集中点。另外，下横梁底面与侧面过渡处、侧面进油孔处应力值较高，但都低于110.00MPa。一般安全系数取 1.5，根据 ZG270 －500的屈服强度，许用应力［σ］=180.00MPa。因此，该梁的强度在安全范围内。

图2 下横梁应力云图

下横梁的变形云图如图3所示，其最大变形位于下横梁底面，大小为0.221mm，且由中心至两侧变形逐渐减小。根据蒸压砖自动液压机国家标准JC/T 2034－2010，下横梁允许挠度不大于0.150mm/m。由立柱间距可知，下横梁允许的最大变形为［δ］=0.300mm。因此，该梁的变形在安全范围内。

从有限元分析结果可以看出，下横梁的应力分布不均匀，材料的力学性能没有充分发挥，可以对低应力区域进一步优化，从而节约材料、降低成本。

图3 下横梁变形云图

2 下横梁结构优化

2.1 灵敏度分析

在选取设计变量之前首先要进行灵敏度分析，灵敏度是指系统输入的参数对于输出结果的影响程度［5］。在ANSYSWorkbench中对各变量相对于质量的影响程度进行灵敏度分析，剔除一些灵敏度相对微小的参数，减少计算量。灵敏度如图4所示，从图中可以看出，各变量都偏离零，说明参数选取合适，不需要略去任何参数。

图4 灵敏度图

2.2 设计变量

一般选择下横梁各侧板厚度、肋板厚度等参数作为下横梁优化的设计变量［6］，选取的设计变量如图5所示。

各变量的可行域见表1。

表1 下横梁各设计变量的可行域

图5 设计变量

2.3 状态变量

一般以强度和刚度来评估下横梁的性能，因此取下横梁最大等效应力和最大变形作为优化设计约束条件，即:

2.4 目标函数

本文的优化设计是以节省材料为目的，故指定下横梁质量为优化目标，即找到质量m最小的设计方案。

2.5 优化结果及分析

ANSYSWorkbench中的优化算法有非线性二次规划算法(NLPQL)、混合整形序列二次规划法(MISQP)、遗传算法(GA)等［7］。遗传算法具有全局寻优的能力，避免陷入局部最优解。在Design Exploration模块中采用中心组合设计法(CCD)进行试验设计，选取遗传算法进行优化，经1 100次迭代后得到的优化曲线如图6所示。

图6 优化曲线

求解得到3个推荐的设计点，并对这3个点分别进行求解验证，得到的验证结果见表2。由于Candidate A的最大应力大于许用值，故舍弃。本文是以质量为优化目标，故选择Candidate B作为最优设计点，根据实际工程情况圆整后，计算得到下横梁的最大应力值为 177.63MPa，变形为0.253mm，质量为17 915kg。

表2 备选解及其验证

由表2可知，经ANSYSWorkbench优化后，下横梁减重10.21%，其强度和刚度仍在安全范围之内，且应力分布更加合理。根据该优化结果设计的下横梁已经成功地应用在1 300t粉煤灰蒸压砖机上，如图7所示，在实际使用过程中安全、可靠。

图7 1 300t粉煤灰蒸压砖机实物图

3 结束语

本文在有限元分析的基础上，对蒸压砖机下横梁的强度和刚度进行了分析，对其结构进行了优化。得到的优化结果是:在下横梁减重10.21%的情况下，其强度和刚度仍在安全范围之内，且应力分布更加合理，从而实现了节约材料、降低成本的目的。

［1］ 秦东晨，祁建中，鹿跃丽，等.Y32－500B四立柱液压机下横梁的结构优化设计［J］.机械强度，2001，23(2):246 －248.

［2］ 骆念武，申远，竺长安，等.基于有限元分析的液压机下横梁结构优化［J］.煤矿机械，2007，28(10):8 －11.

［3］ 凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYSWorkbench 13.0从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社，2012:1－3.

［4］ 李诚.基于Pro/E和ANSYSWorkbench的悬挂夹具结构优化设计［J］.机械工程师，2013(9):107－109.

［5］ 张国锋，王卫荣.基于ANSYSWorkbench的吊座尺寸多目标优化设计［J］.机械工程与自动化，2014(1):69 －73.

［6］ 刘星，陆宝春，田先春，等.基于遗传算法的液压机上梁交互式结构优化［J］.机械科学与技术，2015(1):27 －31.

［7］ 曹文钢，曾金越.液压机上横梁有限元分析及结构优化［J］.锻压装备与制造技术，2013，48(5):38－40.