重型板式输送机关键部件有限元分析及结构优化设计.pdf

重型 板式输送机关键 部件 有限 元分析及 结构优化设计 谢志刚陈小芹 汕 头职 业技 术 学院汕 头5 1 5 0 7 8 摘要 对重型板式输送机的关键部件结构及设计进行分析 利用 A P D L语言建立了台板的参数化模型并 进行优化 比原设计节省材料 4 5 运用 A N S Y S的拓扑优化功能对链条进行形状及刚度优化 节省材料超过 3 0 整体运动部件重量的下降 降低了驱动装置的负荷 直接改善了设备 的运行条件 延长了设备的运行 寿命 关键词 板 式输送机 台板 链条 有 限元 优化设计 中图分类号 T H 2 2 8 文献标识码 A 文 章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 0 7 0 0 0 1 0 4 Abs t r a c t Th e s t r uc t ur e a n d d e s ig n o f c ri t ic a l c o mp o ne n t s o f h e a v y s l a t t y pe c o nv e y e r is a na l y z e d p a r a me t e r iz e d mo d e l o f s u p p o rti n g p l a t e is e s t a b l is h e d w it h AP DL l a n g u a g e a n d o p t i miz e d w h i c h s a v e s 4 5 ma t e ri als c o mp a r e d t o t h e o r ig in a l d e s ig n t h e s h a p e a n d ri g id it y o p t imiz a t io n is ma d e o n t h e c h a in wit h ANS YS t o p o l o g ic a l o p t imiz a t io n w h ic h s a v e s o v e r 3 0 ma t e ri a l s T h e d e c r e a s e o f t h e w e ig h t o f e n t i r e mo v i n g p a r t s r e d u c e s t h e l o a d o f d ri v e u n i t w h i c h d i r e c t l y im pr o v e s t he o pe r a t in g c o n dit io n o f t h e e q uipme n t a n d e x t e nd s t he s e r v ic e l if e o f t h e e qu ipme n t Ke ywo r ds s l a t t y pe c o n v e y e r s u pp o rtin g pl a t e c h ain f in it e e l e me n t o pt imiz a t io n de s ig n 作为典型物流设备 的重 型板 式输送机广泛应 用于钢铁 汽车 电力 化工 等行业 而 国内外 关于板式输送机 的设 计还停 留在传统 设计上 依 然使用 近似公式 和经验公式 设 计偏 于保守 设 备安全 系数超 过许 用值数倍 体积庞 大 尤其是 运动的链条和 台板等关键 部件过于笨重 导致输 送设备运行过程 中阻力增大 频发故 障 设备 的 年维护费用达几十万元 u 1 有 限元法与优 化设计 随着 有 限元 法 的应 用 和计算 机技术 的发 展 用先进的分析设计 方法和计算方法来 优化结构设 计在许 多领域 已经大 量应 用 经工程 实 践证 明 一 般可以节省材料 3 0 以上 因此 在原 材料紧 张的现今 突破传 统设计 方法和理 念 把基 于有 限元法的分析设计 方法引入大型物 流设备关 键部 件的设计 已经成为可 能 在节省材 料 的同时 设 备的运行阻力大大减小 其带来 的经济效益将 十 分显著 社会影响深远 汕头职业技术学院院级课题 S Z K 0 9 B 1 5 起重运输机械 2 0 1 0 7 进行有 限元分析前 的图形建模工作十分繁琐 重复性 强 占用 了设计 人员 大 量 的时 间和精 力 遇到系列 化产 品的设 计工作 就要 逐一进行 建模 与分析 严 重影响 了产 品的设计 开发周期 制约 了企业的进步与 可持续发展 分析设计 的一个显 著特点是 设 计一建 模一分 析一修改设 计一再 建 模一再分析 重复性的再建模和再分析 影响 了 分析设计 的效率 针对这种 情况 产品设计 者往 往借助于具有参数化 建模 功能的 C A D软件 U G P r o E M D T等 建立 系列 化的几何模型 然后 通过软件接 口逐个导人有 限元分析软件 但是 导 入 的复杂 图形 经常需要大 量的修补工作 而且 在 划分网格 时 等参单元 的数量 不易控制 网格质 量差 计算量大 延长了产 品开发周期 为解决上述 问题 本文 直接在 有 限元 分析 软 件 A N S YS的平 台上开发参 数化有 限元分 析程序 即基于 A P D L对 台板进行 了参数化建模 在此基础 上建立 了优化设计 的数学模 型并进行优化 然后 运用 A N S Y S的拓扑优化功能对链条进行形 状及 刚 度优化 最后将 得到的优化结果与原设计进行 了 比较 2 工作条件及结构参数 国内某钢铁厂热轧窄带钢车间冷却线使用重型 板式输送机 具体参数 工作温度接近 4 0 0 c c 输 送距离 5 0 m 最大载重量 1 5 t m 板式输送机宽 度 2 0 0 0 I n n l 链条节距 3 2 5 i n n 3 台板厚度 3 0 m m 由于工件温度过高 为加 快散热 台板结 构常选 用实心钢板制成 材料 2 0 R 该设备使用中一直存 在链条磨损快 输 送链跑偏 爬行 等问题 造成 生产过程中频繁出现故障停机 根据文献 2 建 立的板式输送机力学模 型分 析 主要原 因是 输送 链负荷过大 尤其是 台板和链条等运动部件 的 自 重过大造成整体拉力增大 根据文献 1 为减轻 台板重量 和增加 散热 面积 台板结构优化 方案是 将 台板一侧沿纵 向开 槽 但文献 1 的开槽尺寸没有经过有 限元的计 算而偏于保守 本文利用有 限元软件 A N S Y S的优 化功能完成 自动寻优 3 台板参数化模型及优化设计 3 1 参数设定 参数化模型几何参数见表 1 载荷为 0 0 1 5 M P a 表 1台板几何参数 m m 台板纵 台板横 两翼预 向长度 向长度 台板厚 开槽 宽 留宽度 开槽深 开槽数 度 日 度 度 D n 曰 2 0o 0 3 0o 3 0 2 0 45 1 0 5 3 2网格划分和边界条件 为便于局部应力分析 建立台板的整体模型 采用 2 0结点六面体等参单元进行 网格划分 如 图 1 为了在危险截面建立路径提取应力 划分 网格 时尽量采用 映射 网格 在两端支撑处 出现 应力集 中 网格需细化 在 中间段应力分 布较均匀 为 节省计算时间 网格应稀疏一些 在台板模型两端 的底面施加固定约束 3 3 优 化设 计 优化数学模型 一 2 一 图 1 台板有 限元模 型 Min f 1 2 W D 1 S t 2 0 1 3 5 1 0 4 2 5 由于设计 的是使 台板在满 足所 需的强度和 刚 度要求 的前提下 尽可能减小总体 的重量或体积 故选最小体积为 目标函数 选取表 1中的 W1 和 D 为设计变量 见表 2 表 2 目标 函数和设计变量 目标 函数 m m 体积 设计变量 mm D1 下限 2 0 1 0 上限 3 5 2 5 为了解 台板 局部危 险截 面 的应 力集 中情 况 在模型上建立 了 5条应力处理线 如 图 2 并建 立相应状态变量 见表 3 A A D D和 E E 处理线位 于 台板端 部支 撑部位 的 内侧边 界截 面 该处 以剪切应力为主 则 A A和 D D处理线按 第 4强度理论提取最大 当量应力作为状态变量 E E处理线按第 3强度理论提取最大 当量应力作为 状态变量 B B和 C C位于台板的中间横截面 该处 以弯 曲正应力 为主 按第 1强度理论 提取最 大主应力作为状态变量 同时 挠度变形应 满足 刚度要求 选取 台板 中间截面 的最大挠度 为状 态 变量 采用零 阶优化 方法完 成 台板 的优 化过程 共 迭代 了7次 根据优化结果 当 W1 3 4 m m D 2 4 m m时 在满足给定条件下 台板的体积最 小 利用 A N S Y S线性化原理提取图 2中 5条应 力 处理线 并与原始设计进行 比较 见表 4 起重运输机械 2 0 1 0 7 图 2 危险截面应力处理线 表 3 状 态变量 应力处理 A A B B C C D D E E 线路径 提取最大当 量应力 S 1 S 2 S 3 Js 4 S 5 一 一 一 一 一 不 同强度理论 的最大应力 S E Q V s l S 1 S E QV S 1 一S 3 许用应力条件 Js 1 l 取自 B B处 理线 0 0 5 L 注 根据 G B 1 5 0 1 9 9 8 温度 4 0 0 时 2 0 R钢 的许 用应 力 7 9 MP a 安全系数取 1 2 则 S 6 6 MP a 表 4 优化前后应 力比较 最 大应 强度 处理线 体Y mm 力 MP a 要 求 A A S一1 1 5 3 S 原始尺寸 B B S一 2 l 1 8 S C C S一 3 1 7 5 1 6 x1 0 应力 分析 D D S一 4 1 1 8 Js E E S一 5 4 5 A A S一1 2 2 7 6 S 优化结果 B B S一2 1 7 S 0 9 8 9 1 0 C C S一3 1 7 S 比优化 前 应力分析 D D S一 4 1 7 Js 减 小 3 4 E E S一 5 6 6 S 由表 4可 以看 出 优化 结果完全 满足应力处 理线的强度要求 此时 台板 的体 积减小 3 4 若 与不开槽 相 比 则 优化 后 的台板体 积减小 5 1 可见优化设计带来 的效果是显著的 起重运输机械 2 0 1 0 7 4 链条 拓扑优化 拓扑优化 的原理是在满 足结构体 积缩减量 的 条件下使 结构 的柔度极 小化 3 即要求结构 的刚 度最大化 从 而确定系统 的最佳形状 使 系统 材 料发挥最大利用率 4 1 参数设定 板式输送机采用套筒滚子链 链 片几何参数 链条节距 3 2 5 m m 宽度 6 0 mm 厚度 1 0 m m 销 轴孔径 4 2 0 mm 4 2网格划分 建立链 片整体模 型 首先采用 四节点 面单元 P L A N E 4 2进行 网格划分 然后链 片的双耳部分 的 单元属性修改为不进行拓扑优化单元 见图 3 图 3 链片有限元模型 4 3 边界条件及载荷 将模型 中右侧 销轴孔 固定 约束 左 侧销 轴孔 垂直方向约束 载荷 为 1 0 0 MP a 向外施加在左 侧销轴孔 内表面上 4 4拓扑 优化 将拓扑优化 函数定 义 为优化 目标 函数 将体 积函数定义 为约束 函数 要求缩减 4 0 选用优 化准则 法 进行 拓 扑 求解 定 义优 化 收 敛精 度 为 0 0 0 0 1 进行 3 O次优化迭代计算 并绘制节点伪 密度分布图 最终形 状优化 结果如 图 4所示 符 合材料力学的等强度原则 按此形状设计与原设 计相 比可 以节省 3 0 以上的材料 图 4 链片节点伪密度分 布图 5 结束语 本文将有限元 法 与优化技 术结合 完成 台板 的结构优化 通过应力分 析 将最终 得到 的结构 尺寸与原始设计进行 比较 利用 A N S Y S的拓扑优 化功能对链 条进行形状 优化 符合材 料力学 的等 强度要求 通 过优 化设计 以台板 和链条为 主的 运动部件的质量下降 3 0 4 0 既节省材料又降 一 3 一 轻巧型曲臂高空工程作业车整体结构的设计 孙骅王业 潘 广州大学机 电工程学院广州5 1 0 0 0 6 摘要 以高空工程作业车为设计对象 在设计过程中突出 轻 巧 的特点 通过对其力平衡 速度 位置 传动与制动系统的分析 对机械手臂结构 行走机构 曲臂回转机构 工作平衡支撑机构的设计与分析 介绍一种新式轻巧型曲臂高空工程作业车整体结构设计 关键词 曲臂高空工程作业车 轻巧型 机械手臂 履带式底盘 平衡机构 中图分类号 T H 2 1 1 6 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 0 7 0 0 0 4 0 4 A b s t r a c t T h e o v e r h e a d w o r k i n g t r u c k i s t a k e n a s t h e d e s i g n o b j e c t l ig h t a n d fl e x i b l e a r e h ig h l ig h t e d d u r i n g t h e d e s ig n a n d t h e in t e g r a l s t r u c t u r e d e s i g n o f a n e w o v e r h e a d wo r k i n g t r u c k wi t h l i g h t c r a n k is i n t r o d u c e d t h r o u g h the a n a l y s i s o f d y n a mic b ala n c e s p e e d p o s it io n a n d t r a n s mis s io n a n d b r a k e s y s t e m a s we l l a s t h e d e s ig n a n d a n aly s is o f me c h a n ic a1 a r m s t r u c t u r e r u n n in g g e a r c r a n k s wi n g me c h a n is m a n d wo r k b a l a n c e s u p p o r t i n g me c h a n is m Ke y wo r d s o v e r h e a d wo r k in g t ru c k w it h l ig h t c r a n k l ig h t d u t y me c h a n ic al a r m d r a w l e r t y p e c h a s s is bala n c e me c h an is m 1 前言 目前不论 是建筑 工程 还是 电信 电视 清 洗等行业 都要求高空作业 车小巧灵活 操作方 便 因此要求设计 出小型先 进 的底盘 并 解决动 力输 出 问题 应特 别 注意 作 为一 种工 程机 械 其 良好 的操 作性能和较窄 的底 盘宽度有利于设备 进入狭小 的工业通道 和拥挤 的工作 区域作业 新 研制的履带 自行式折 叠曲臂 高空作业工程 车 与 传统的高空作业 车的区别 在于其轻巧 多 折叠 曲 臂 履带 自行式且人在车外控制其行走