斗轮堆取料机斗轮体结构分析及优化设计

孟凡成　于海龙

摘要：为了保障斗轮堆取料机斗轮体系结构的进一步优化，本次研究主要借助于ANSYS参数化形式的设计语言APDL来进行某种类型斗轮堆取料机斗轮体结构模型的建立，并借助于有限元分析的方式来对其进行优化。希望通过本次的分析，可以为斗轮体结构的进一步优化提供相应参考。

关键词：斗轮堆取料机;斗轮体结构;有限元分析;结构分析

在目前的集散料处理中，斗轮堆取料机是最大的成套设备，该设备在港口码头、火电厂、矿山和钢铁厂等的散料输送中发挥着至关重要的作用。随着当今各个领域的发展，斗轮堆取料机也开始朝着大型化、系列化以及自动化的方向发展。在此过程中，其斗轮体结构的分析与优化也就受到了各个领域的高度重视。

一、将APDL作为基础对斗轮体进行有限元分析

（一）建立参数化模型

在进行斗轮体的优化设计之前，首先应该借助于ANSYS参数化形式的设计语言APDL中所具备的参数化功能来进行斗轮体参数化有限元模型的建立。因为斗轮体有着不规则的形状和比较复杂的结构，所以在进行参数化模型的建立过程中，为保障建模的简单化，就需要对其局部的结构做出相应的简化处理，也就是将一些不会对整体造成很大影响的特征简化[1]。在具体的建模过程中，主要用来进行有限元分析以及斗轮体结构优化的基本参数有三个，其一是DQL1，其二是DQL3，其三是OQL5，下表是这三个基本参数的初始值：（见表1）

在输入完初始参数后，就可以通过该程序进行模型建立。因为斗轮体属于一种薄壁结构，所以在建模过程中仅仅选择实体单元或者是壳单元即可，但相比之下，如果选择壳单元来对其进行结构分析以及优化设计，其运算量将会更少一些。且在进行弯矩计算時，实体单环的厚度单元层数量也比较少，这就会加大计算结果的误差。因此在本次建模分析中，就将shell281这一壳单元用来进行壳体模型建立，将其厚度定义为0.01m。本次模型建立所选择的材料是Q235B，下表是本次设其相关属性定义：（见表2）

（二）网格划分

在进行有限元模型的建立过程中，一个重要的环节就是划分网格。网格划分质量将会对模型计算精度产生直接影响，过低的质量甚至会导致计算中断。本次设计中，出于对结构具体复杂程度以及实际有限元分析需求的考虑，通过自有划分法将斗轮体的参数化模型按照16398个单元进行划分。

（三）加载和约束的建立

因为斗轮堆取料机的工作具有连续性，也就是说，在具体的工作中，该机械将会长时间处在连续转动状态，但是因为其转速很低，所以斗轮体受到的荷载可以看做是静荷载。因此在斗轮体设计过程中，需要进行集中载荷和自由度约束的施加。本次设计中，将三个方向的旋转和位移约束施加在了斗轮体模型中心，这样就是其整体结构的自由度保持为零，将所有的轮圈表面和立柱表面都进行200N集中荷载的施加，然后通过SOLVE命令的执行来进行计算求解。

（四）模型的后处理

经过计算求解之后，就可以得出一个斗轮体的应力云图，本次研究中的斗轮体模型最大Von Mises应力是94MPa，该应力处在斗轮体轮辐靠近轮毅的位置。因为本次选择的材料Q235B的允许应力是157MPa。所以，按照第四强度理论，并综合考虑其安全系数，本次所设计的斗轮体不仅可以有效满足相应的强度需求，且余量很大[2]。基于这一情况，在具体设计中，就可以通过减轻自重的方式来实现材料节约，并有效提升斗轮体生产制作的经济性。

二、将APDL作为基础对斗轮体进行优化设计

（一）数学模型的建立

在对斗轮体进行优化设计的过程中，数学模型的建立主要在特定约束条件下进行设计变量的合理选取，以此来实现目标函数值的做大化或者是最小化。在本次优化设计中，主要的设计变量选择有三个，其一是DQL1，其二是DQL3，其三是DQL5，下表是对其初始值以及取值范围的归纳：（见表3）

优化设计中，为了让斗轮体实现轻量化，应该将优化设计目标函数定义为斗轮体总质量，但是因为其整体结构是由同种钢材焊接而形成，有着均匀的密度，所以在具体的优化设计中，目标函数就确定为其总体积VOLUM。另外，在设计中，需要将其最大的Von Mises应力SMAX选作状态变量，以此来保障强度需求的满足，以下是本次优化设计的具体数学模型：

设计变量：x=[DQL1，DQL3，DQL5]

目标函数：min f（x）=minVOLUM（x）

约束条件：s，t.σ≤|σ|

（二）优化方案的合理选择

以APDL为基础的优化方法主要有两种，其一是零阶优化法，其二是一阶优化法。在具体的优化设计中，最常用的是零阶优化法，该方法是借助于状态变量以及目标函数的逼近来实现工程问题的有效处理，其主要的方法有随机法、单步运行法、子问题法和最优梯度法等。一阶方法是对偏导数的应用，也就是通过状态变量以及目标函数的一阶偏导数逼近法来进行问题解决，该方法有着很高的精度，在状态变量以及目标函数有着较大变化且设计空间较大的情况下十分适用[3]。

本次优化设计所应用的是零阶法理的子问题法，通过该方法可以对设计变量、目标函数以及状态变量进行整体评估，然后借助于小二乘法进行逼近值的取代拟合，让约束最小化问题实现到罚函数无约束问题的转变。以下是本次斗轮体结构优化设计的前后参数对比：（见表4）

从表4可以看出，本次优化设计在保障各项标准满足实际应用需求的基础上，斗轮体体积较原来减少了6.54%，结构轻量化目标得以有效实现。

三、结语

综上，在对斗轮堆取料机的斗轮体结构进行优化设计的过程中，需要通过合理的参数模型建立、数学模型建立等来进行优化处理。以此来保障斗轮体结构的合理优化，在保障其实际应用需求的基础上实现整体结构的轻量化。这对于斗轮体生产经济效益的提升和应用效果的提升都十分有利。

参考文献：

[1]张玮强.斗轮机轮斗轴断裂成因分析及处理[J].科学与财富，2020（5）：87.

[2]马振华.火电厂输煤斗轮机的检修与维护[J].电力系统装备，2019（23）：118-119.

[3]王喜龙.悬臂斗轮堆取料机斗轮机构驱动系统改进研究[J].中国设备工程，2019（22）：48-50.