斗轮堆取料机四连杆式上部结构有限元分析及结构优化

张佳佳

摘 要：首先，本文针对斗轮堆取料机四连杆式上部结构有限元分析进行了较为详尽的阐述，既提出了上部结构有限元静力分析方案，也分析了强度准则；接下来，又对斗轮堆取料机四连杆式上部结构优化方法提出了一定看法，包括结构优化方法及模型以及前臂架结构优化输入、输出参数的确定这两方面内容。

关键词：斗轮堆取料机；四连杆式；有限元分析；结构优化

前言

在散料装卸工业当中，斗轮堆取料机是比较常见的大型设备之一，在港口，采矿区，散料储备等场所应用广泛，在散料堆取工作中发挥着不可或缺的重要作用。为了使设备具有更良好的使用性能，就应保证其系统整体的协调性。由于上部结构在设备运行中起着关键性的作用，尺寸规模较大、结构相对复杂，而在以往的设计当中，结构方案的确定一般以操作经验为标准，主观性较强，因而常常会引发一定的结构问题。为了使结构设计得到优化，可引进有限元分析法，对其受力情况进行研究，并在研究结果的基础上形成经济合理的设计方案。

1.斗轮堆取料机四连杆式上部结构有限元分析

1.1上部结构有限元静力分析方案

为了对斗轮堆取料机的上部结构进行有限元分析，可采取以下两种方案：第一种，针对上部结构整体展开研究，进而完成有限元分析；第二种，将整个上部结构进行拆分，针对各个部件展开研究，进而完成有限元分析。上述两种方案各有利弊，第一种方案的实行需引入销轴连接定义，构建不同部件过渡区域的接触模型，因而会更加接近实际情况，但不足之处在于一旦引入销轴，就必须分别建立实体单元，接触单元这两个模型，不仅建立过程繁琐，且运算量较大，极易出现失误；第二种方案由于将设备进行了拆分处理，因此具备建模灵活，运算量较小，分析过程不易出错的优越性。由于斗轮机构与臂架系统之间结构复杂，因而在对上述两种方案进行选择时，应具体参考斗轮的结构性能，可通过对其进行一定程度的简化，以梁单元的角度进行考虑，根据实际安装位置，采用MPC184 刚性梁单元，将斗轮结构与前臂架进行连接，从而对斗轮重量，挖掘阻力等要素进行模拟，从而使载荷得以传递。

1.2强力准则

如果当前应力状态比较复杂，可对各部件的应力状态进行确认，矩阵式表示为：

T=σxτxyτxzτyxσyτyzτzxτzyσz （公式一）

对斗轮堆取料机四连杆式上部结构的应力进行计算时，考虑到了正应力及剪应力，根据剪应力互等原理，可推导出τxy=τyx，τxz=τzx，τyz=τzy。因此，为了对结构不同位置的应力状态予以确认，只需分别得出此处的三个正应力分量，以及三个剪应力分量；如果采用钢材进行结构设计，则等效应力应表示为：

σe =12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2] （公式二）

此式中的σ1，σ2，σ3分别代表主应力。

2.斗轮堆取料机四连杆式上部结构优化方法

2.1结构优化方法及模型

根据对强度准则的分析，可以发现前臂架的强度留有更大的余量。对其主体结构进行观察，发现其截面处呈现双“工”字形，说明主体结构是由垂直方向的翼缘，以及水平方向的腹板所共同组成。为了克服前臂架的使用缺陷，缓解其强度储备偏高的问题，使其结构更加灵活，向轻量化型改进，本文将运用ANSYS Workbench的Design Explorer（DX）模块下的技术，将多目标驱动优化法（GOD：Goal Driven Optimization）与多目标遗传算法结合起来，以添加参数的运算方式，完成对结构的优化设计。其具体流程如下：如果当前条件已经具备足够的强度及刚度，可施加相应负载，以前臂架结构作为分析对象，将其垂直方向的翼缘，以及水平方向的腹板作为参数的变量，优化目的在于最大程度地减小前臂架的重量，追求结构在厚度方向上的最优布局。以ANSYS Workbench为依托的结构优化，整个过程需要参数化建模，求解，参数评价，优化循环，修改设计变量等一系列程序。

2.2前臂架结构优化输入、输出参数的确定

2.2.1设计变量及其范围

使用DX模块时，设计变量是由参数决定的。前臂架在结构上相对复杂，因此要想构建系统化的数学模型，必然具有一定难度。这样就应当从提取关键因素入手，对不同规格产生的作用程度进行分析，从中选出作用力最为明显的作为设计变量，一般是将垂直方向翼缘的上部厚度P1，下部厚度P4，水平方向腹板的左侧厚度P3，以及右侧厚度P7作为设计变量，各变量分别取值为P1=P4=14mm，P3=P7=10mm。为了使钢板具备良好的制造工艺，在保证其足够的耐用性，以免发生形变或锈蚀的同时，又能够提高其轧制性能，焊接性能，以及机械性能，最好应将钢板厚度控制在6mm-20mm之间。

2.2.2输出变量

由于受到载荷的影响，在评估结构强度时，应考虑到前臂架的最大等效应力。当参数尺寸发不断变化时，前臂架的最大应力及质量也会同时发生变化。将其最大等效应力（Equivalent Stress Maxinum）作为输出参数P6，模型的总质量（Geometry Mass）为输出参数P5。

3.结论

本文通过对斗轮堆取料机四连杆式上部结构有限元分析及结构优化进行深入分析和探究，指出斗轮堆取料机在工业生产中占据着极其重要的地位，为了提高其使用性能，有必要对其上部结构设计进行优化。本文采用了有限元法对斗轮堆取料机四连杆式上部结构进行了分析，并在分析结果的基础上提出了斗轮堆取料机四连杆式上部结构优化方法。

参考文献：

[1]周奇才，何群，邵新建.两类斗轮堆取料机挖掘切割边长计算方法[J]. 同济大学学报（自然科学版）. 2003（03）

[2]周奇才，张许辉，李文军，吴青龙，王玉宝.2500t环轨式起重机有限元参数化建模与分析[J].中国工程机械学报，2014，12（01）：124-125.