基于ANSYS下的压力机剪刃结构优化设计

涂秋艳， 党继辉， 温瑞

（1.浙江工商职业技术学院，浙江宁波315012；2.宁波凹凸重工有限公司，浙江宁波315012）

基于ANSYS下的压力机剪刃结构优化设计

涂秋艳1， 党继辉2， 温瑞1

（1.浙江工商职业技术学院，浙江宁波315012；2.宁波凹凸重工有限公司，浙江宁波315012）

运用ANSYS分析软件优化设计模块，对压力机剪刃结构进行静力学结构分析，通过设计相关设计变量，优化了剪刃结构的主要设计参数。实践表明，该方法有效地实现了产品结构的快速设计与创新。

优化设计；压力机；设计参数

0 引言

结构优化设计与分析是把力学概念和优化技术有机地结合，根据设计要求，使参与计算的量部分以变量出现，形成全部可能的结构设计方案域，利用数学手段在域中找出满足预定要求的不仅可行而且最好的结果。根据该设计方法，可以从比较多的设计结果中寻找出最优的结果。最优就是从可以满足要求的方案中，找到比较合适的性态（如重量、面积、体积、应力、费用等）最小。

文中以压力机中的上下剪刃为例，利用ANSYS的优化分析功能对其按照重量最轻的原则进行了优化设计，方便快捷地得到了较好的优化结果（重量最轻），实现了利用ANSYS的优化分析功能进行压力机剪刃优化设计的全过程。

1 ANSYS优化分析的基本概念

优化设计是以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。

优化模型可表示为：

式中，F（X）为X的函数，X为设计变量，gi（X）为状态变量。优化的过程就是通过改变X的数值来完成，对于每一个X都有上下约束限制，规定X中的每一个元素xk（k=1，…，N）的最大值、最小值，它定义了设计变量的变化范围：

1）设计变量（DV）：设计过程中所要选择描述结构特性的量，可以是各个构件的尺寸、面积、重量等几何参数。

2）状态变量（SV）：用以约束的变量值，一般有尺寸几何约束及工作性态上的一些限制。

3）目标函数：用来衡量设计好坏的指标，通常与DV具有相对应的函数关系。

4）设计序列：指的是特定的一个设计变量的数学集合。

5）分析文件：通常指一个完整的求解过程（前处理，求解，后处理）。

2 剪刃的优化设计

2.1 问题描述

本课题所要优化的目标剪刃长为240 mm，剪刃内半径为157 mm，允许承受最大压应力为［σy］=572，材料为H13钢，铝棒材料的弹性模量E=210 GPa，泊松比ε= 0.35，密度为7.8×103kg/m3，剪刃的约束载荷主要为内半圆环面的压力70 MPa。设计的目标是对剪刃重量进行优化，使其重量减小并能承受最大压应力572 MPa。

图1 压力机剪刃工作示意图

2.2 建立优化设计数学模型

把剪刃外径设为设计变量，以外径R1=180 mm，Smax= 572 MPa为设计初始值，建立优化数学模型；本次以剪刃的外半径R为设计变量：Rmin=160 mm，Rmax=220 mm；同时确定以最大等效压应力Smax为状态变量，优化的目标为最小总体积VTOL。

根据上述条件，得到以下优化设计模型：

图2 有限元结构图

2.3 结构优化设计

为了便于模型的分析与简化，假设剪刃的受力状态是剪刃长度方向的轴向应力值为零，可以将目标简化为简单的平面应力问题，因此分析时选择Quad 4 node182单位进行仿真分析。通过参数设置，设置外半径R1=180 mm，内半径R2= 157 mm，密度DENS=7.8，厚度T=240 mm。

约束与载荷的设置：约束外圆环所有自由度，受力情况施加应力对内圆环P=70 MPa，剩下边界添加对称约束，模型加载图如图3。

图3 有限元载荷图

2.4 结果分析

优化目标是减小剪刃的重量，前提条件是模型能承受572 MPa最大压应力，经过20次迭代，得最优解（带*号）为第9次迭代结果（如表1）。进行ANSYS优化分析时，当寻优迭代进行到第9次时，剪刃重量取得最小值，其最优设序列如表1所示（表中数值单位均采用国际单位）。

表1 最优序列表

剪刃的重量、剪刃的外径等参数随寻优迭代次数的变化情况如图4～图5所示。

图4 设计变量（外径）随迭代次数变化图

图5 目标函数WT随优化次数的变化规律

利用上述参数化设计模型进行求解运算，设计变量完成20次迭代运算，求解最优解，外径最小时所承受的最大等效应力为63.854 MPa，满足572 MPa为限的约束要求。该优化设计方案的剪刃重量从初始结构的29 106 kg减小到9302.2 kg，剪刃外半径由180减小了20 mm，即160.2 mm，优化效果可见一斑。

3 结语

ANSYS软件优化求解模块具有十分重要的作用，不仅可以为模具设计提供最优化的设计尺寸，更可以有效提高生产效益，减少人力物力的投入，降低生产成本，远比传统设计更为科学方便，也弥补了传统设计的一些不足之处。目前，ANSYS优化设计软件已被广泛应用于工程设计过程中，为今后的精密高速剪切还将提供更多优化设计思路和经济效益。

应用ANSYS优化工具箱进行建模、有限元分析和优化设计问题求解，不用编写大量优化算法程序，不但提高了设计效率，而且能达到较高的设计精度，可以大大减少设计成本、缩短设计周期，从而使结构更加科学、合理。

［1］ 任晓丹.基于VB机械优化设计软件的研究与实现［J］.电脑知识与技术，2010（6）：1411-1412.

［2］ 黄海，汤升林，赵振华.最优化设计方法及其在机械设计中的应用［J］.硅谷，2011（8）：149，146.

［3］ 夏学文，张俊彦，郭小刚，等.基于ANSYS的结构优化设计理论［J］.煤矿机械，2011（3）：30-32.

［4］ 郭彦峰，辛成龙，许文才，等.蜂窝纸板结构平压性能有限元分析［J］.包装工程，2009（1）：34-35.

（编辑启 迪）

Optimal Design of the Press Blade Based on ANSYS

TU Qiuyan1,DANG Jihui2,WEN Rui1
（1.Zhejiang Business Technology Institute,Ningbo 315012,China;2.China Aotu Industry Co.,Ltd.,Ningbo 315012,China）

By utilizing ANSYS finite element analysis software as an analytical tool,the static properties of cutting edge structure for press were analyzed,and the structural optimization designs of the main parameter were improved according to the new design variables．Practice showed that the method could more efficiently implement the rapid design and innovation of the product structure.

optimal design;press;design parameter

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0188－02

涂秋艳（1978—），女，硕士学位，工程师，从事产品（模具）CAD/CAE/CAM方面科研与教学工作。

2014-05-05

浙江省教育厅科研项目（Y201329037）