基于ANSYS的金属挤压机结构优化设计

2015-11-18江道银张莉

赤峰学院学报·自然科学版 2015年10期

关键词：挤压机约束条件云图

江道银，张莉

（合肥通用机械研究院；合肥通用职业技术学院，安徽合肥 230031）

基于ANSYS的金属挤压机结构优化设计

江道银，张莉

（合肥通用机械研究院；合肥通用职业技术学院，安徽合肥 230031）

大型金属挤压机是国民经济的一种基础设备，其运用已延伸各个领域.本文以结构优化设计理论为基础，建立前梁的优化设计模型，利用ANSYS有限元分析软件结合MATLAB中遗传优化函数实现对金属挤压机前梁的优化设计，求解出最佳结果.

结构优化；挤压机；ANSYS；遗传算法

1 绪言

金属挤压机是实现金属挤压加工的最主要设备，其利用金属塑性压力成形的重要特点，将金属锭坯一次加工成管、棒、型材，现代铁路、飞机、舰船快艇等各个领域所使用的骨干材料，几乎都与挤压加工密切相关.传统设计过程中，设计员往往优先考虑安全，优先选择保守的安全系数，设计的结构笨重，造成材料的极大浪费，经济成本高昂.因此采用现代优化设计理论方法，对挤压机的进行参数化建模、有限元分析和结构优化设计，成为主要设计方法,本文在满足前梁结构要求的前提下通过优化设计获得前梁结构重量最小的目标.

2 金属挤压机的结构

卧式挤压机由挤压机本体、液压传动与控制系统、机械化设备、挤压机自动检测与控制装置和电气控制系统等组成.挤压机本体由组合框架、主工作缸、侧缸、挤压梁装置、挤压筒装置、挤压筒锁紧缸、移动模架装置、快换模装置、下导向架装置等部件构成［1］.

图1 卧式挤压机的本体结构

挤压机本体的受力框架由整体式前梁和后梁、圆柱拉杆和拉杆螺母、方形压套（焊接结构）组成一个封闭的预应力组合框架.本文研究的是60MN的卧式挤压机，采用卧式三梁四柱外置穿孔系统结构，在前、后梁之间加上圆柱形承压构件，构成预紧力结构.

3 结构优化设计理论基础

3.1 结构优化设计步骤

现代的优化设计采用计算机技术实现自动设计，设计步骤通常分为确定优化目标、建立优化设计数学模型、选择优化方法、优化程序的编写、优化求解和结果评价五个步骤［2］.工程结构的设计问题转化为全面、准确的数学问题是优化设计的核心，能否建立合理、有效的数学模型对优化设计起到至关重要.

3.2 优化设计数学模型

优化设计问题通常包括一个优化目标函数和多个约束条件，在满足约束条件的前提下，调整设计变量X，最终确定目标函数f（X）的最小值或者最大值，数学模型表达形式如下：

目标函数：

满足于不等式约束条件：

满足于等式约束条件：

满足自变量约束条件：

3.3 遗传算法

遗传算法（Genetic Algorithm）是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传的规律演化而来的随机化搜索方法，它模拟自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖、交叉和基因突变现象，在每次迭代中都保留一组候选解，并按照某种指标从解群中选取较优的个体，利用遗传算子对这些个体进行组合，产生新一代的候选解群，重复实现优胜劣汰的进化过程，直到满足某种收敛指标，逼进最优解为止［2］.这种启发式算法具有更好的全局寻优能力，通常用来生成有用的解决方案来优化和搜索问题.

4 基于遗传算法的前梁结构优化设计

本文结合ANSYS有限元软件，运用MATLAB软件遗传算法对金属挤压机前梁进行优化.

4.1 设计变量的选取

挤压机前梁优化设计的目标在满足强度求得最小重量的前梁结构，因前梁结构设计参数较多，根据需要，选定7个设计变量，用矩阵表示为X= ［X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7］，如式5所示.

4.2 约束条件

为达到前梁结构重量最小的目标，以结构设计参数设置为约束条件，根据经验，7个设计变量的取值范围如表1所示.

表1 设计变量取值范围（m）

4.3 建立适应度函数文件

将前梁重量作为目标函数，建立适应度函数.

4.4 建立约束矩阵

前梁的长度L≤7、宽度W≤6和厚度H≤7构成线性不等式约束，建立约束矩阵，可得到：

4.5 求解

经过迭代得到最优解为：

最佳适应度值为：f（X）=483.1036.

表2 优化结果对照表

5 优化结果

经过计算机优化设计，挤压机前梁结构的质量较优化前下降了20%，从603.75T下降到483.1T（表2），提高了材料的利用率；工作时最大应力值从50.8MPa下降到49.6MPa，工作时最大位移量从0.01778mm下降到0.00198mm，通过ANSYS有限元优化前后分析云图（图2～图5）对比，优化以后的前梁应力分布更加均匀.