基于ANSYS的压滤机压紧板结构优化

胡松等

摘 要：压紧板是压滤机上的重要部件，其传统的设计方法过于安全。本文采用有限元分析软件ANSYS对压滤机压紧板进行结构优化研究。对压紧板进行参数化建模，根据工况施加约束和载荷，得到压紧板的应力云图。在保证安全的前提下对压紧板进行结构优化。经对比，压紧板优化后的结构满足工程要求，节省了大量工程材料。

关键词：压紧板；ANSYS；参数化建模；结构优化

压紧板是压滤机上的重要组成部分，用以压紧压滤机的滤板滤框从而进行固液分离。在压紧板的传统设计过程中，过度依赖经验公式，压紧板的设计偏于安全，造成了压紧板制造中的材料浪费，增加了压紧板成本。

本文以某厂研发的型号为1500的压滤机压紧板为例，运用有限元理论及有限元分析软件ANSYS对压紧板进行结构分析和优化，改进压紧板结构。

1 ANSYS优化分析的基本原理

ANSYS软件提供了很多优化设计方法，最常用的主要有零阶方法和一阶方法。对于这两种方法，ANSYS具有一系列的分析--评估--修正的循环过程，这一循环过程重复进行直到所有的设计要求满足为止。基于参数化有限元分析过程的设计优化，首先要定义设计变量、状态变量及其取值范围，然后定义目标变量和选择优化算法，最后确定优化次数后进行计算[1]。

2 优化内容

本文主要研究的内容是运用APDL语言对压紧板进行参数化建模，对其所受载荷进行简化，对压紧板进行有限元静力分析。通过运用有限元分析软件ANSYS的结构优化模块对压紧板进行结构优化，对实验数据进行对比。

APDL是ANSYS Parametric Design Language的缩写，即ANSYS参数化设计语言。它是一种类似于PORTRAN的解释性语言，提供一般程序语言的功能，另外还提供简单的界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行程序等[2]。

3 压紧板优化模型

3.1 问题描述

压滤机压紧板的主要功能用以压紧压滤机的滤板滤框从而进行固液分离。某厂1500型压滤机压紧板的结构如图1所示。

压紧板设计要求如表1所示。

压滤机工作时，压紧板中心凸台因受液压缸的压紧力作用，从而压紧边框和滤板。根据工况，压紧板中心凸台工作时受到10Mpa的压紧力。

3.2 数学模型的建立

要使压紧板的质量最轻化，必须在满足设计要求的前提下，构建有限元模型，进行优化迭代计算，求得目标函数极值，从而得到最优化的设计方案。优化模型可表示为：

式中，F（X）为目标函数，是X的函数，X为设计变量，gi（X）为状态变量[3]。

鉴于压紧板的主要尺寸已经确定，而压紧板的底板厚度、肋板厚度没有限定，而底板厚度、肋板厚度对于整体质量影响很大，因此选为设计变量。

压紧板的材料为Q235，其屈服极限为235Mpa。在压紧板受压过程中，其最大应力值不应该超过材料的屈服极限。因此，取压紧板的最大应力为约束条件，即状态变量。

优化的目的是压紧板质量最小，因为压紧板材质均匀，所以质量最小即是体积最小。因此确定压紧板体积为目标函数。

确定各变量的范围，如表2所示。

4 压紧板优化过程

4.1 压紧板参数化建模，网格划分与求解

对设计变量底板厚度A预设初值80mm，对肋板1/2厚度B预设初值15mm后，即可运用APDL语言对其进行参数化建模。压紧板的材料为Q235，弹性模量为200Gpa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m3，屈服极限为235Mpa。模型选用SOLID45单元划分网格，根据工况，压紧板工作时底板周围受到全约束，中心凸台受到10Mpa的压力。因此对模型加上边界条件进行求解。如图2所示。

经分析，压紧板工作时的最大应力出现在肋板与中心凸台的连接处，且最大应力为143.3Mpa，小于材料的屈服极限235Mpa，且具有较大富余，可进行结构优化。

4.2 提取优化变量与优化计算

结构优化前需提取状态变量和建立优化控制文件。本例以底板厚度A，肋板1/2厚度B为设计变量，以工作时的最大应力SMAX为状态变量，以各单元的体积总和TVOL为目标函数，选用零阶算法中的子问题法，设定迭代次数为7。ANSYS部分程序如下：

执行优化控制文件后，得到表3的迭代结果。其中注*的为最佳值，长度单位为m，应力单位为Mpa。

进一步查看体积随迭代次数变化的曲线，如图3所示。

观察到第六次迭代时体积最小，而第六次迭代的最大应力超过屈服极限，故取第七次迭代结果为最优值。因此得出压紧板的最佳结构为底板厚度A为0.0495m，肋板厚度B为0.0109m，最大应力SMAX为218.6Mpa，总体积为0.179m3。其中优化后压紧板总体积由原来的0.24m3下降到0.179m3，减少了25.4%，这将大大降低生产过程中的材料消耗，降低成本，从而产生更大的经济效益。

5 结束语

本文采用ANSYS结构优化方法对压滤机压紧板结构在满足应力约束条件下进行体积最小的优化设计，得到了最合理的尺寸形状，优化后压紧板体积由原来的0.24m3下降到0.179m3，减少了25.4%，从而减少了产品的制造成本，增强了产品的竞争力。

[参考文献]

[1]丁兵，姜玲莲，吕文阁，袁清珂.基于ANSYS的印刷机滚筒结构优化[J]. 机电工程技术.2009，38（10）：28-30.

[2]刘晓波，沈予洪.基于APDL语言的参数化建模技术[J].电脑学习.2005，3：45-46.

[3]涂秋艳，党继辉，温瑞.基于ANSYS下的压力机剪刃结构优化设计[J]. 机械工程师.2014，5：188-190.

[4]邢静忠.ANSYS应用实例与分析[M].北京：科学出版社.2006.

[5]周长城，胡仁喜，熊文波.ANSYS11.0基础与典型范例[M].北京：电子工业出版社.2007.