钢板热处理前标识设备支撑横梁的强度分析及优化设计

机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE第4期2016年4月钢板热处理前标识设备支撑横梁的强度分析及优化设计傅曼，林立峰天津科技大学机械工程学院，天津300222摘要支撑横梁作为钢板热处理前标识设备的主要支撑部件，其强度、刚度和稳定性直接影响着标示效果。运用PROENGINEER软件设计并建立了横梁结构的三维模型，根据支撑横梁的实际受力情况，设置相应的载荷和边界条件，建立起横梁基于ANSYSWORKBENCH的有限元模型，对横梁进行了两种极限工况下的静强度分析和模态分析，计算出其最大变形、最大应力和前8阶模态频率，经校核横梁可以较好地满足强度要求。为了使横梁达到轻量化的目标，应用多目标优化及响应曲面相结合的方法，以质量轻和1阶固频高为优化目标，以强度、刚度要求为约束条件，完成了横梁结构的优化设计，结果表明优化后的横梁结构依旧满足强度、刚度及稳定性要求，总质量降低了3697。关键词横梁；静强度；3况；模态分析；优化设计中图分类号TH16；TH122文献标识码A文章编号10013997201604009404INTENSITYANALYSISANDOPTIMIZATIONDESIGNOFSUPPORTINGBEAMOFSTEELPLATEMARKINGMACHINETHATBEFOREHEATTREATMENTFUMINLINLIFENGCOLLEGEOFMECHANICALENGINEERING，TIANJINUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，TIANJIN300222，CHINAABSTRACTTHESUPPORTINGBEAM，THEMAINSUPPORTINGPARTSOFSTEELPLATEMARKINGMACHINEBEFOREHEATTEATMENT，ITSINTENS，STIFFNESS，ANDSTOBILITYDIRECTLYOFFECTTHEMARKINGEFFECTTHE3DMODELOFTHEBEAMIOSBUILTBYPROENGINEERTHELOADSANDBOUNDARYCONDITIONSWERESETACCORDINGTOTHEACTUALLOADCONDITMNOFBEAMANDTHEFINITEELEMENTMODELW08BUILTBASEDONANSYSWORKBENCHTHENTHETWOKINDSOFLIMITINGWORKINGCONDITIONOFTHESTATICSTRENGTHANDMODALANALYSISOFTHEBEAMWEREDONE，WORKINGOUTTHEMOYCIMUMDEFORMATION，STRESSANDTHEFIRST8MODEFREQUENCYAFTERCHECKING，COULDSATISFYTHEREQUIREMENTOFINTENSITYWELLFORTHEPURPOSEOFLIGHTWEIGHT，THEOPTIMIZATIONDESIGOFBEAMWASDONEBYMUHIOBJECTWEOPTIMIZATIONANDUACERESPONSEMETHOD，WHICHAIMEDTHELOWERWEIGHTANDHIGHERFIRSTNATURALFREQUENCY，ANDUNDERTHECONDITIONSOFINTENSITYANDSTIFFNESSREQUIRETHERESULTSHOWSTHATTHEBEAMOFFEROPTIMIZINGSTILLSATTHEREQUIREMENTOFINTENSITY，RIGIDITYANDSTCILITY，TOTALMASSHASREDUCED3697KEYWORDSBEAM；SMILESTRENGTH；WORKINGCONDITION；MODALANALYSIS；OPTIMIZATIONDESIGN1引言连铸生产线上的钢板标示设备，钢板水平放在辊子上并随辊子运动，标示设备在垂直与钢板的表面上进行标示，故多采用悬挂式标示设备，支撑架横梁作为标识设备的主要支撑部件，为标示设备提供运动基础，工作时，主箱体在横梁的导轨上运动，其横梁承载主箱体的重量，且跨度较大。横梁结构设计的合理性及强度特生直接影响着标识设备工作时的稳定性和可靠性。因此有必要对支撑横梁部分进行强度特L生分析，同时，由于轻量化、经济性要求的提出，在满足强度及使用要求的前提下对横梁尺寸进行了优化设计。2确定支撑架、横梁结构并建立3D模型横梁结构是由4块钢板拼焊而成，钢板的宽度即横梁的截面尺寸长度L500MM，钢板的长度即横梁的跨度L8500MM，钢板厚度T16RNM，内部在焊接加强筋，提高其强度和刚度，查阅相关资料，工程中常用到的加强筋有四种形式，即平行放置筋板、卧式W型、立式W型、X型，根据设计经验及横梁受力情况，本设来稿日期20150825作者简介傅曼，1963一，男，北京人，硕士研究生，教授，主要研究方向现代设计理论及机械CAD林立峰，1990一，男，吉林扶余人，硕士研究生，主要研究方向现代设计理论及机械CAD第4期傅曼等钢板热处理前标识设备支撑横梁的强度分析及优化设计95计选用X型加强筋，用PROE进行I维建模，支撑架整体结构及横梁内部结构，如图1、罔2所示两端立支撑柱高H3346MM。1横梁2加强梁3柱4底座罔1支撑架整体结构FIG1THEINTEGRALSTRUETUTVOFSUPPORTFRAME1琏接法兰2加强筋3箱体轨遭4钢板图2横梁内部结构FIG2THEINTERNALSTNTTUREOFBEAM3横梁的有限元静力学分析31横梁有限元模型的建立为了确保横梁结构的安全性和R】R靠性，需要在最不利的况下对其进行模拟分析，故对箱体分别处于横梁端部及中心位置两种T况进行静强度分析。首先，对模型进行简化，考虑到横梁模型不是特别复杂以及几何数据的完整性，在WORKBENCH中的DESIGNMOLDER模块对横梁进行建模，结合优化设计参数化处理及实际情况，将横梁各钢板焊接简化为一个整体内部正常布置加强筋，简化后的模型及有限元模型，如3所示，由于横梁两端受到立柱的支撑故在其法兰两端施加同定约束，共划分为34689个单元，63197个节点。图3横梁的简化模型及有限元模型FIG3THESIMPLIFIEDMODELANDFINITEELEMENTMODELOFBEAM3_2材料特性参数横梁钢板材料均采用Q235钢，其材料特性参数，如表1所示。表1横梁钢板材料参数TAB1THEMATERIALPARAMETEROFBEAMSTEELPIATE壁呈塑丝堡皇坠些查壁塑壁塑垫垦堡Q2352XLO03785XL023537546033有限元分析计算331施加载荷及边界条件用PROE质量属性功能并查阅相关资料，测量标识没备主箱体重量约3000KG，故施加集中力3OOOON，考虑横梁自重，利用STANDARDEARTHGRAVITY添加白重载荷，横梁两端法兰处施加同定约束，对于两种工况分别求解其总变形量和等效应力如图4、图5所示。332计算两种工况下的应力及变形一况一箱体位于横梁左端位置时，在箱体能向左运动能达到的极限位置施加30000N的集FL力，汁算其应力、变形云，如I皋J4所示4I况一下横梁的变形和等效应力云图FIG4DEFORMATIONANDEQUIVALENTSTRESSNEPHOGRAMOFBEAMUNDERTHEFIRSTWORKINGCONDITIONI况二箱体位于横梁中问位置时，在横梁的中部位置施加30000N的集中力，计算其应力、变形云图，如图5所示。图51况二IF横粱的总变形量和等效应力云图FIG5DERMATIONANDEQUIVALENTSTRESSNEPHOGRAMFIFBEAMUNDERTHESECONDWORKINGCONDITION333结果分析箱体位于横梁右端与左端对称，受力情况完全一致，在此不做重复分析。最大变形及应力，如表2所示。再结合变形、应力云图知，一况一横梁最大变形位置偏左，最大应力发生在横梁和法兰的连接处，最大变形量和应力分别为038492MM，OJ9245MPA；况二下横梁最大变形发生在横梁中部，最大应力仍发生存横梁端部与法兰连接处横梁最大变形量和最大应力分别为2054964MM，HL9144MPA，故，F，I，一般辑服强度的安全因数N15，这里考虑实际一I程问题，取N2，许应力，J23521175MPA19245MPA，故两种T况强度、刚度均符合要求且还有较大安全余量。表2两种工况下横梁的最大变形及最大等效应力TAB2THEMAXIMALDEFORMATIONANDEQUIVALENTSTRESSUNDERTWOKINDOFWORKINGCONDITION4横梁结构的模态分析模态分析是计算结构振动特性的数值参数，结构振动特性包括固有频率和振型。模态分析是最基本的动力学分析，可以帮助设计人员确定结构的闱有频率和振型，从而时结构设计避免共振。标示设备T作时主箱体在横梁运动，横梁会发生一定的振动，为了使横梁的固有频率避开丁作时的机振频率，有必要计NO496机械设计与制造APR2016算横梁的固有频率和振型，故对横梁进行了模态分析，导入模型并在横梁两端施加固定约束来模拟两端支撑，求解并提取前8阶固有频率和振型，如图6所示。冈6横梁前8阶振型网及频率FIG6MODESHAPESCHAFFSANDFREQUENCYOFBEAMINTHEFIRST8MODES将各阶模态频率计算结果及振型描述，如表3所示。表3横梁前8阶模态频率与振型TAB3MODEFREQUENCYANDMODESHAPESOFBEAMINTHEFIRST8MODES横梁结构的动态特性主要取决于其低阶振型和频率13，由上表模态计算结果知，横梁的I、2阶振型为低阶振型，即机构丁作时容易发生共振的频率，是整机R作时要避开的频率及结构设计时要提高的频率，接下来以此作为优化设计的一个目标。5横梁结构的有限元优化设计51优化方法介绍横粱结构尺寸的优化采用WORKBENCH中的目标驱动优化模块，横梁优化采用目标驱动优化与响应面相结合的设计。DESIGNEXPLORER通过实验设计DOE和响应曲面REPONSESURFACE技术来描述设计变量和优化目标之间的关系，通过实验设计方法产生样本点，再用样本点的参数来研究设计变量对优化目标的影响，但因一般输入设计点数是有限的，所以通过有限个设计点拟合成响应曲面线进行研究T4T。52优化模型建立由于丁况二箱体居中时变形较大，本次优化设计基于1二况二的受力变形情况，横梁的动态特性主要取决于低阶振型，故以第一阶频率，要高、重量M要轻为优化日标，以T况二的强度OO50MPA、刚度1MM为约束条件，以横梁钢板的长度及厚度T为没计变量建立其优化设计的数学模型哟式1MINM，_厂LL，2JL，TJSTX歇350MML500MM8MM16MM1式中M一横梁质量；产_第一阶固频；钢板长度；嗍板厚度；_N最大应力；一最大变形下同。521定义参数设计变量横梁的截面长度，J350MML500MM、横梁钢板的厚度8MMT16MM约束条件强度条件、刚度条件优化目标横梁总质量M最小，一阶频率厂最高522调入目标驱动优化LGOALDRIVENOPTIMIZATIONL及计算首先，利用DESIGNOFEXPERIMENT一实验设计对所定义的参数生成9组没计点，如表4所示。表4实验设计生成的设计点参数值TAB4DESIGNPOINTPARAMETERVALUESGENERATEDBYDOE设计点编号LMMTMMMMOMPAMKGFHZ1425L209427482221436992350L21473278184673178350012068218526312407544258L_2434O8L80383519542516078256326306379L63508195438115082302O7500809O26652LL2O38J758350I6L2229422L769326L95OOL6055L9143105942_39在任何响应点处都可以观察输出参数的灵敏度，即设计点对输出参数的敏感性大小，敏感度计算结果，如图7所示。由敏感度表知，长度对变形、应力和1阶固频影响较大，对于总质量，截面尺寸和厚度R，影响均较大。同时，可以借助优化模块下的RESPONSESURFACE查看各个设计变量的变化对优化目标的影响，响应曲面中可以看出各输人参数对优化目标的响应可以依据输入参数对输人参数的影响来设定各参数的优化目标及重要。长度，J和厚度对总质量M、最大变形NMX最大应力和1阶固频厂的影响如图8所生成各响应面所示。由上面响应面的结果知，总质量M随钢板长度，J、厚度的增加而增加在两个增长方向上，厚度增乏的方向变化较快，最大变形和最大应力的随J已、的变化规律亦是如此，即L、R，对M、6一影响的大小关系，L阶固频随L、71的增大而减小，在两个减小方向上，厚度的减小的方向变化较快，即、对1阶固频厂影响的大小关系LT。图7相应点处参数灵敏度FIG7SENSITIVITYPARAMETEROFMATCHINGPOINT一一一一一RI若丢一NO4APR2016机械设计与制造97。一尊血长ILTT枘要纯一太窖群1TL_T舯叠化一。一I直力ITLL一TT的鹫化L舶露曩FTLL一T的壁化一图8各参数的响应曲面FIG8RESPONSESURFACEOFEACHPARAMETER目标驱动优化结果，确定优化目标，设置优化目标为质量最小，最大变形量最小，最大等效应力最小，更新优化，程序算出最好的3个候选结果，表中代表该项目标优化效果，的个数越多效果越好，如表5所示。依据优化目标优先次序，选择第一个候选点作为最终优化结果。经尺寸圆整，取L470，18重新生成模型更新计算数据，优化前后各参数对比，如表6所示。表5驱动优化产生的3个候选结果TAB5THREECANDIDATERESULTSPRODUCEDBYDRIVEOPTIMIZATION名称最频量化，在满足强度、刚度和稳定性的基础上对横梁结构尺寸进行了优化设计1经有限元数值模拟分析，原设计的横粱满足强度、刚度要求且留有较大的安全余量。2优化设汁后，使横梁的总质量由31059KG降低到19577KG，降低了3697，最大变形和最大应力增加较少且还有一定的安全余量，L阶固频未发生显著变化，仍满足要求，在综合考虑强度、刚度及1阶固频的基础上，横梁钢板的长度尺寸和厚度适当减小，实现了轻量化的目标，降低了成本。参考文献1苏世卿，刘雪东，李柏贤基于PREE与WORKBENCH的超大型蒸压斧壁厚优化设计J机械设计与制造，20155249252SUSHIQING，LIUXUEDONG，LIBAIXIARROPTIMIZATIONOFTHEWALLTHICKNESSOFSUPERLARGEAUTOCLAVEBASEDONTHEPRTCEANDWORKBENCHJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE。201552492522高薇，杨中平机械手臂机构的优化设计JL机械设计与制造，200611313GAOWEI，YANGZHONGPINGOPTIMIZATIONDESIGNOFAKINDOFMECHANICALANNJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE，2006113133刘伦伦，张瑞亮，申晋宪某主副一体式自卸车车架强度特性分析J_机械设计。201521215LIULUNLUN，ZHANGRUILIANGSTUDYONINTENSITYANALYSISOFMAJORANDAUXILIARYINTEGRALDUMPTRUCKFRAMEJMACHINERYDESIGN，2015212一L54黄志新，刘成柱ANSYSWORKBENCHL40超级学习手册M北京人民邮电出版社，2013HUANGZHIXIN，LIUCHENGZHUTHESUPERSTUDYGUIDEOFANSYSWORKBENCH140JMJBEIJINGPOSTANDTELECOMPRESS，2OL35隋振华3O炮支架结构分析及其优化设计研究D南京南京理工大学，2004SUIZHENHUASTUDYONSTRUCTUREANALYSISANDOPTIMIZATIONDESIGNOF30GUNHOLDERDNANJINGNUSTCOLLEGEOFMECHANICALENGINEERING，20046吕建国，康士延ANSYSWORKBENCH有限元分析自学手册M北京人民邮电出版社，2013LVJIANGUOKANGSHIYANTHEFINITEELEMENTSELFSTUDYHANDBOOKOFANSYSWORKBENCHLM1BEIJINGPOSTSANDTELECOMPRESS，20137陈军斌，杨悦最优化方法M北京中国石化出版社，2010CHENJUNBIN，YANGYUEMETHODOFOPTIMIZATIONLMJBEIJINGCHINASINOPECPRESS，2010。8姚道壮，杨建国，吕志军基于ANSYSWORKBENCH的货架立柱截面优化设计J东华大学学报自然科学版，2011443844LYAODAOZHUANG，YANGJIANGUO，LVZHIJUNOPTIMIZATIONOFSTEELSTORAGERACKCOLUMNCROSSSECTIONSBASEDONANSYSWORKBENCH【JJJOURNALOF6结论9比较详细地研究了横梁的强度特性，分析计算了横梁在两种极限工况下的静强度和无载荷条件下的固有模态，为了实现其轻DOTISHHAUNIVERSITYNATURALSCIENCE，20114438441曾庆生，王建斌基于模糊分析的环形起重机的偏轨箱形主梁的优化设计J机械设计与制造，200211O11ZENGQINGSHENG，WANGJANBINTHEOPTIMUMDESIGNOFSLANTINGTRAEKBOXTYPEMAINBRIDGEFORRINGCRANEJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE2002110L1上接第93页参考文献1王猛，孙泽昌，卓规荣电动汽车制动能量回收最大化影响因素分析J同济大学学报自然科学版，20124583588WANGMENG，SUNZECHANG，ZHUOGUIRONG，CHENGPENGETCMAXIMUMBRAKINGENERGYRECOVERYOFELECTRICVEHICLESANDITSINFLUENCINGFACTORSJJOURNALOFTONGJIUNIVERSITYNATURALSCIENCE201245835882李晓甫，赵克刚，黄向东汽车行驶阻力模型参数的确定J汽车工程，2011。338645648LIXIAOFU。ZHAOKEGANG，HUANGXIANGDONGETEDETERMINATIONOFPARAMETERSINVEHICLEDRIVINGRESISTANCEMODELLJJAUTOMOTIVEENGINEERING，2011，3386455483高有山，李兴虎，黄敏汽车滑行阻力分析J_汽车技术，20084273OGAOYOUSHAN，LIXINGHU，HUANGMINANALYSISONAUTOMOBILECOASTINGRESIST