基于ANSYS WORKBENCH的中部槽优化研究

郄彦辉，王秀红,2，刘 波，白立军

（1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300132；2.天津商业大学 理学院，天津 300134）

刮板输送机是各类采煤工作面，特别是综采工作面设备中的基础性关键设备；而中部槽不仅构成了刮板输送机的工作平面，决定了刮板输送机的长度，并且刮板输送机80%的重量都集中在中部槽上，因此中部槽的优化具有举足轻重的作用[1]．

本文利用ANASYS Workbench软件，开展中部槽的多目标优化工作：从中部槽的实体建模、材料属性定义、网格划分、边界条件定义、载荷的添加以及有限元计算，到强度计算结果的处理，再到多目标的优化设计均在ANSYS Workbench Environment（AWE）中完成．

1 中部槽的应力分析

首先在几何模块DM（Design Modeler）中建立中部槽的几何实体模型，然后导入到有限元分析模块DS（Design Simulation）中，进行网格划分，材料属性定义，边界条件和载荷添加等一系列工作，并进行静态强度计算[1-2]．

需要特别说明的是中部槽的工况主要有推溜和拉架两种[1-3]．在推溜过程中，刮板输送机过渡段的12节中部槽会自然弯曲成2段长度相等、方向相反的反对称曲线，虽然这12节中部槽受到的推力相等，但产生的von-Mises应力却与每节中部槽自身的偏转角度密切相关，如表1．而在拉架时，则不存在这种现象．这是因为拉架都是在中部槽推溜到位，刮板输送机成直线状态后进行的，刮板输送机不再有偏转角度不同的弯曲段，所以中部槽受力相等，产生的应力亦相等．

表1 推溜工况各种偏转角下的最大应力Tab.1 The maximal Mises stress

由计算结果可知，在推溜和拉架工况下中部槽的应力分布很不均匀，较大应力主要集中在拉移耳、挡板槽帮端头和铲板槽帮端头几个区域，且最大应力和许用应力相差很多，中部槽结构存在优化的可能与必要[2]．

图1 推溜工况应力分布Fig.1 The Mises stress distribution with linemoving ahead

图2 拉架工况应力分布Fig.2 The The Mises stress distribution with support advance

2 中部槽的拓扑优化

为了确定中部槽优化的部位及参数，对中部槽拉架工况和推溜工况下偏转角=10.8°两种情况，分别的进行了减重目标20%的拓扑优化分析[4]：

1）进入DS模块．首先在中部槽模型树中加入一个拓扑优化分析，然后按照拉架工况和偏转-10.8°推溜工况下的约束和载荷加到模型上，如图3所示．需要强调的是因为在前面进行强度分析时定义的材料属性，网格划分等前处理工作与此处的拓扑优化同在一个模型树下，在这里不需要重新定义．2）在模型树solutions目下插入一个shape finder命令，并设定减重目标为20%，然后针对两种工况分别提交计算，得到相应的最优拓扑结构，如图4、图5所示，其中红色部分表示在最优拓扑结构中可去掉部分．

图3 中部槽模型树Fig.3 The model tree of the trough of middle part

图4 推溜时拓扑优化结果Fig.4 Optimum layout with line moving ahead

图5 拉架时拓扑优化结果Fig.5 Optimum layout with support advance

由中部槽的最优拓扑结构和应力计算结果发现，铲板顶高处、中板和封底板的大部分区域都有优化的可能，所以选取封底板厚度（bth）、中板厚度（mth）和铲板顶高度（lth）3个量作为设计变量对中部槽进行多目标优化．

图6 中部槽优化部位示意图Fig.6 The optimize position of the trough of middle part

图7 参数管理器Fig.7 The parameter manager

3 中部槽的多目标尺寸优化

多目标优化问题与单目标优化问题的本质不同在于：多目标优化问题的最优解是一个集合,而不是一个全局最优解．这是因为在一定约束下，多目标优化过程时某个目标的改变可能导致其他目标的增大或减少；因为这些目标有时不甚协调，甚至是矛盾的，只能在各目标之间进行协调权衡和折中处理，使所有目标函数尽可能达到最优．

定义设计变量和目标函数：由于所有工作都是在ANSYS Workbench平台下完成的，当打开优化设计模块DX（Design Xplorer）时，其相应的参数也都定义完成，如图7所示．本文定义了3个设计变量bth、mth、lth和3个目标函数中部槽质量（geometry mass）、最大等效应力（equivalent stress maximum）、最大变形（total deformation）．

因为优化的目标是希望3个目标函数都减小，因此这3个目标函数的希望值均设置为minimum possible，但是我们的主要目标是中部槽减重，所以3个目标函数的优先级不同：geometry mass为较高等级（higher），而equivalent stress maximum、total deformation设置为较低等级（lower）．

3.1 推溜时目标函数equivalent maximum的响应

设定3个设计变量的变化范围均为10%，并计算目标函数对设计变量的响应，图8显示了在推溜时当一个设计变量保持不变时，而另外两个变化时，目标函数equivalent stress maximum的响应．

图8 等效应力对各设计变量的响应图Fig.8 Thee quivalent stress maximum response to different design variable

3.2 拉架时目标函数equivalent maximum的响应

同样设定3个设计变量的变化范围为±10%，并计算目标函数对设计变量的响应；图9显示了在拉架时当一个设计变量保持不变，而另外两个变化时，目标函数equivalent stress maximum的响应．

图9 等效应力对各输入参数的响应图Fig.9 The equivalent stress maximum response to different input parameters

根据图8和图9的响应曲面可知，随着3个输入参数的减小，结构最大等效应力相应的减小，有可能出现重量轻且最大等效应力较小的情况．

3.3 中部槽的多目标优化

如前所述，多目标优化问题的最优解是一个集合，而不是一个全局最优解．推溜和拉架两种工况下3个较优的可行方案，分别如图10 a)，b)所示．

图10 优化可行解Fig.10 The reference design points

因为中部槽应该满足推溜和拉架使用工况，通过比较确定，最后以减重的标准选取中部槽的最优解为bth=27.03 mm，mth=36.04 mm，lth=28.32 mm．此方案使中部槽的质量由原来的1 912 kg减小到1 727.7 kg，可节约钢材用量10%左右．

4 优化结果校验

将设计变量优化后的数值代入DM完成重新生成中部槽模型，并导入DS，按照拉架和偏转角度为 10.8的推溜两种情况进行校核．优化前后的最大等效应力和最大变形对比如表2所示．

表2 中部槽优化前后结果对比Tab.1 The contrast of the equivalent maximum stress and displacement of Middle Pan

优化后的中部槽在推溜工况下最大整体变形略有增大，但仍满足工程要求，而最大应力由128 MP减小为113 MP，且其应力分布更加均匀合理，满足工程要求；优化后的中部槽在拉架工况下最大整体变形减小明显，最大应力由169 MPa减小为146 MPa，同样满足工程要求；综上所述优化减重10%后的中部槽满足工程要求．

[1]郄彦辉，刘品强，刘波，等．刮板输送机弯曲平移时运动及载荷应力分析 [J]．煤矿机械，2009，6（30）：93-95．

[2]刘品强．刮板输送机中部槽的强度分析及优化 [D]．天津：河北工业大学，2007．

[3]郄彦辉．均匀化拓扑优化研究及工程应用 [D]．天津：河北工业大学，2008．

[4]白立军．煤矿机械参数化建模及有限元分析 [D]．天津：河北工业大学，2009．