基于ANSYS Workbench的弧形筑堆机螺栓座的强度分析和优化设计

罗辑性

（1.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001；2.衡阳运输机械有限公司，湖南 衡阳 421002）

引 言

弧形筑堆机分建堆和行走两个工作状态，尤其是在建堆状态时，各个整机的安全性、稳定性显得尤为重要。螺栓座是连接了运输机构和定心机构的关键部件（见图 1），特别是在弧形筑堆机在筑堆过程中，螺栓座的强度和寿命关系着弧形筑堆机的性能和能否安全运行。所以，螺栓座的疲劳强度分析和优化设计对减低成本，提高经济效益有重要意义[1]。

在以往的设计中，螺栓座尺寸的确定常常靠经验来取值，特别是螺栓座连接头的宽度和长度，取值往往过于保守，从而使螺栓座总体重量大大增加。而Ansys软件作为有限元分析领域最常用的分析软件之一，可以对零件进行静力学分析、多个参数优化，分析结果具有可视性、直观性，使得设计更科学，更有依据，是现代设计中的重要手段。

图1 弧形筑堆机整机结构简图Fig.1 The structural diagram of arc stacker

1 螺栓座模型的建立

（1）确定建模参数

HZD-4000弧形筑堆机的螺栓座的基本尺寸为：底板厚20mm,长 280mm，宽 230mm，底板上 4个螺栓孔直径为20mm。凸台高20mm，长280，宽130mm。销孔距离底板高200mm，销孔直径为38mm。螺栓座总高为280mm,连接头顶部半径R为60mm[2]。

（2）建立三维模型

三维建模的方式很多，可以使用ANSYS Workbench直接建模，也可以用Pro/E等其它三维软件建模然后无缝导入到 ANSYS Workbench中。本文中的模型是用 ANSYS Workbench 中的DM模块进行三维建模的[3]。创建后的模型如图2所示。

图2 螺栓座三维模型Fig.2 The three-dimensional model of schraubenauflage

(3)添加尺寸参数

本次优化主要针对底板以上连接头部分进行参数优化，定义连接头底部宽度参数为ds-b（采用镜像方式建模，实际宽度为2b）,高度参数ds-h,长度参数ds-l。

2 建立有限元模型并对模型进行静态应力分析

建立有限元模型的过程也就是对建好的螺栓座三维模型进行材料属性添加和网格划分。在静态应力分析中须对模型进行载荷的施加并规定边界约束条件。最后，对应力和总变形进行求解[4]。

(1)建立螺栓座有限元模型

首先定义螺栓座的材料属性，螺栓座采用结构钢制造，其弹性模量为2×105，泊松比为0.3，屈服强度为235MPa。

其次对螺栓座进行网格划分。ANSYS Workbench可以自动划网格，为了更好更精确的进行分析，需要对网格进行手动修改。本次分析采用正六面体占有的网格类型，其单元尺寸为5mm，划分结果如图3.

图3 螺栓座网格图Fig.3 The arrow diagram of schraubenauflage

（2）静态应力分析

根据螺栓座的使用条件，在做静态应力分析前，首先和四个螺栓孔进行固定约束，对螺栓座的受力区施加垂直分力N1y=3250.72N,方向向下，水平分力 N1x=11449.279N，方向向右（见图 4）。最后对螺栓座的总变形和应力进行求解。经ANSYS分析运算求得最大总变形为0.013mm(见图5），最大应力为48MPa(见图6)。

图4 螺栓座载荷和约束图Fig.4 The load diagram of schraubenauflage

图5 螺栓座变形图Fig.5 The deformation diagram of schraubenauflage

图6 螺栓座静态应力图Fig.6 The equivalent stress diagram of schraubenauflage

3 多目标优化求解

在用 Workbench进行优化分析时应首先定义状态参数和目标参数，然后查看响应分析，优化分析，求解和验证的步骤[5]。

（1）将螺栓座的状态参数定为最大应力，最大变形和质量。然后结合螺栓座的结构限制，给定连接头的尺寸变化条件为 50mm≤P8≤70mm,250mm≤P5≤280mm,最大应力F≤180MPa，求解目标为应变和质量最小。

（2）用Ansys进行求解，求得两个参数对质量，应力以及变形的影响。如下图7，图8，图9所示。

图7 P5，P8对质量的响应Fig.7 The responding diagram among P5,P8,and solid mass

（3）对螺栓座进行优化求解。

由响应图7-图9可以看出每一个点对应的一个宽度值，长度值和一个响应值。从图中还可以直观的看出看出P8对各响应的敏感度要高于P5对各响应的敏感度。通过比较和计算可以得出一个最优值。

图8 P5，P8对应力的响应Fig.8 The responding diagram among P5,P8,and stress

图9 P5，P8对变形的响应Fig.9 The responding diagram among P5,P8,and total defromation

经分析优化后，方案采用连接头宽度为120，长度为250的设计方案。优化后的模型如图10所示。用Ansys对优化后的模型进行静力学分析，得到最大变形为 0.016mm,最大应力为 56MPa，质量为 50kg，满足变形＜1mm,最大应力F≤180MPa的条件，方案可行。

图10 优化后的螺栓座三维模型Fig.10 The three-dimensional model of the optimized schraubenauflag

4 结语

本文通过有限元软件 Ansys对螺栓座进行了静力学分析和多目标优化，最终使得质量由57kg减小到50kg，质量减小了12.2%，优化前后各参数和目标的情况表1所示。

表1螺栓座优化前后参数对比Table1 Parameter comparison between the optimized schraubenauflage and the former

由表1可以看出，螺栓座在优化后，应力和变形变化都在要求范围之内，而质量却减小了7kg，优化效果良好，达到了优化目的。

[1] 雷泽勇, 雷林. HZD-4000弧形筑堆机的皮带运输系统探讨[J]. 金属矿山, 2005(4)：56-59.

[2] 刘学敏, 雷泽勇. HZD-4000弧形筑堆机的结构探讨[J].矿山机械, 2006, 34(7)：61-63.

[3] 赵经文, 王宏钰. 结构有限元分析[M]. 2版. 科学出版社, 2001.

[4] 李兵, 何正嘉, 陈雪峰. ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M]. 2版. 清华大学出版社, 2011.

[5] 丁毓峰等. ANSYS 12.0有限元分析完全手册[M]. 1版.电子工业出版社, 2011.