基于正交试验设计的振动偏心块结构优化设计

（闽南理工学院，福建 石狮 362700）

0 引言

混凝土砌块成型机的振动系统主要由机架、振动发生器、振动载荷以及弹性元件构成。这些构件中振动器的工作原理就是离心力，利用偏心质量高速旋转时所产生波形离心力，使得系统被迫振动，将能量传导给新拌混凝土，使得混凝土充分“液化”，迅速变得紧密、密实，达到成型效果。振动器的振动频率、振幅及离心加速度的大小都会影响到混凝土砌块成型的效果，加入成型机物料材质的不同、大小的不同，需要对应不同的振动频率和振幅，这需要多次试验得出最佳的振动数据值。长期实践经验表明，垂直定向性的振动可以有效避免物料填充过程中的流动所产生的涡流，混凝土砌块成型效率最高、质量最好，所以，混凝土砌块生产厂家所采用的振动器，偏心轴一般都是相向旋转的，这样可以使得离心力水平方向的分量相互抵消，垂直分量叠加驱动系统作简谐振动。

因此，偏心轴上的振动偏心块结构设计就尤为重要，该零件的三维图如图1所示，零件材质为调质钢40Cr，设计上结构优化的主要尺寸为：A—偏心块外径；B—偏心距；C—偏心块厚度（如图2所示）。该如何合理地确定改进后的尺寸呢？这是一个多因素的问题，因而可采用“正交试验设计”。

图1 偏心块三维图

图2 偏心块工程图

试验设计方法是英国农学家、遗传学家、统计学家R.Fisher于20世纪20年代创立的，20世纪40年代末，日本的田口玄一提出了正交试验设计，1978年我国的方开泰和王元又提出了均匀试验设计方法。方开泰先生指出试验设计方法本质上就是在试验空间范围内给出挑选代表点的方法。利用试验设计方法的目的是用较少的试验次数来获得较多的信息量，以达到预测、控制和优化的目的。下面就利用正交试验设计来寻求偏心块零件改进设计的优化组合方案[1]。

1 零件改进设计优化参数试验

1.1 试验目的

分析图2零件各主要尺寸对零件受力大小的影响程度，以达到优化设计参数的目的。

1.2 试验条件

利用ANSYS软件对零件的三维模型进行有限元模态分析，材料40Cr，单元类型10nodes187，弹性模量为2.06e+11N/m2，泊松比为0.29，质量密度为7820kg/m3。

1.3 试验因素

1.3.1 可变因素

选用三个可变因素：偏心块外径A；偏心距B；偏心块厚度C。

1.3.2 可变的水平数

每个因素分别取三个水平数。

1.3.3 实验因素与水平

为了研究偏心块外径、偏心距、偏心块厚度对振动及自身应力的影响，特安排了三因素三水平的正交试验[2]。将试验因素与水平列于表，水平尺寸的选取充分考虑到了零件在部件中的允许空间尺寸[3]。

表1 试验因素与水平

2 正交试验方案与试验结果分析

2.1 正交试验方案与试验方法

选用L9（34）正交表进行试验设计，这样仅需要进行9次不同的计算，利用ANSYS软件进行有限元模态分析求解，它的优点是结果准确可信，运算速度快[3]，试验步骤如下：

（1）利用SolidWorks建立三维模型导入ANSYS进行模态分析；

（2）单元和常数设置，施加载荷、约束并划分网格；

（3）定义边界条件并求解。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 试验结果

振动偏心块试验3模态分析前处理后三维模型图（图3所示），前十阶固有频率（表2所示），模态变形量图（图4所示）和Von mises应力分布图（图5所示）。

表2 振动偏心块前十阶固有频率

图3 前处理后三维模型

图4 模态变形量图

图5 Von mises应力分布图

9 次试验前十阶模态分析结果如表3所列。

表3 试验结果

2.2.2 试验结果分析

试验结果采用正交设计助手分析得到前十阶模态变形量结果分析（表4所示）和Von misesstress结果分析（表5所示）。

表4 前十阶模态变形量结果分析

极差0.2580.0280.065偏差平方和0.194 0.1010.001 F比1.966 1.024 0.010 F临界值 5.140 5.140 5.140

表5 Von mises stress结果分析

由表2-5和图3-5可以得出下述结论：

（1）根据振动压实理论，经验显示振动频率在25Hz和名义振幅1mm时产生较好压实效果[4]，从表2模态分析可知前三阶固有频率远远小于正常工作频率，满足振动工作要求，在高阶产生较大变形。

（2）表3可知，第1次试验可以取得较小的模态变形和Von mises应力的组合方案（A=142，B=15，C=145），模态变形量为0.511638，Von mises应力为42.6GPa。利用正交试验方法，结果显示试验方案因素主次顺序是A＞C＞B，而Von mises应力分析可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化，从而使分析人员可以快速的确定模型中的最危险区域[5]。正交试验设计可以更好进行零件结构的优化设计。

4 结论

（1）研究出利用正交试验设计方法与SolidWorks、ANSYS相结合进行惯性振动分析新方法。

（2）该方法实现三维建模、有限元分析和正交试验设计的综合，能较为准确地预测振动偏心块固有频率和振型，并对结构优化提供依据。

（3）该方法将振动系统分析时间降低在数小时内完成，解决了用传统方法一般需要几月甚至更长时间的问题。

（4）机械惯性振动具有随机性，用有限元进行线性稳定性分析回答不了振动无限增大的限制因素，惯性振动的产生机理还需要做进一步的研究。