基于ansys的支座结构优化设计

张浩强

（河池学院物理与机电工程学院，广西宜州　546300）



基于ansys的支座结构优化设计

张浩强

（河池学院物理与机电工程学院，广西宜州546300）

摘要：建立了支座优化分析的数学模型，选用solid92单元进行网格划分，对支座筒体内孔的下半部分施加15E6Pa的压力。选择支座筒体外径为设计变量，支座位移和为状态变量，并设置最小值为0.35mm，支座体积为目标函数。采用零阶方法进行优化计算，得到满足许用应力和位移和的最小筒体外径。

关键词：支座；圆筒；结构优化

结构优化设计是一种确定结构最优设计方案的技术。所谓“最优设计”指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需支出的重量、体积、应力等达到最小值[1]。本文所优化设计的支座由筒体、肋板、底板组成，主要用来支撑轴。支座受力时，各部分的应力和位移是不同的，尤其是筒体的变形较大。优化时，筒时内径值是固定不变的，只能将筒体的外径设为自变量，进行优化。

2　支座有限元模型的建立

先建立支座的底板，并挖掉4个螺栓孔，再建立支座的肋板，最后建立支座的筒体，筒体的外径用参数r1代替，r1=80mm。建模时一定要注意，筒体中心线以上半部分一定要高于带圆弧的肋板。如果低于或等于，优化时筒体外径变大，将为使面号改变，优化时，位移施加的面，载荷施加的面都会变，最后导致优化失败，建好后的模型如图1所示。

2　支座网络划分

支座采用铸铁材料，弹性模量E=1.7×105N/mm2，泊松比μ=0.3，划分网格时，设置单元尺寸为15mm，采用适合模拟不规则形状结构的solid92单元。划分网格后的模型如图2。

3　施加载荷并求解

对支座的底面施加z方向的位移约束，对支座的4个内孔施加x、y方向的位移约束。对支座筒体内孔的下半部分施加15e6Pa的压力。最后得到支座的位移和如图3所示，最大位移为0.045435mm，分别在筒体的顶部和筒的前后部分的左下和右下。支座的vonmises等效应力为75.83 e6Pa，小于许用应力［σ］=150e6Pa，由于筒

体的外径要增大，所以von mises应力还会减小，所以优化计算时，不用把von mises应力做为状态变量。

4　对计算结果进行优化

设计变量为圆筒内径，85≤r1≤140；状态变量为位移和，dsum≤0.035；目标函数为总体积TVOL，选择零阶优化方法，因为零阶方法只用到因变量而不用偏导数运算速度较快。并指定优化迭代的最大次数为30次，迭代后因满足收敛条件而退出，共获得6组数据，优化结果见表1，（*）表示ansys指定最优组数据。

5　优化后的结果分析

优化后圆筒外径尺寸为95.529mm，比初始值r1=80m m，增加了15.529mm，位移和从0.045435mm降低到了0.034859mm，小于0.035的最大许可位移值。从图4可以看出优化后的最大vonmises等效应力值为0.591E8Pa，小于许用应力［σ］=150e6Pa。运用ansys进行优化设计，能找出满足设计要求的最小参数值，大大减少了产品设计成本和周期，计算结果完全可以满足工程设计需要。

参考文献

［1］张朝晖.ANSYS12.0分析工程应用实例解析［M］.北京:机械工业出版社，2010，（1）：509－510.

［2］杨军.基于ANSYS的轴承座的模态分析［J］.机械工程与自动化，2011，（4）：56－57.

［3］王学文.ANSYS优化设计若干问题探讨［J］.塑性工程学报，2007，14 （6）：182－184.

Optimum Design for the Structure of Support based on ANSYS

ZHANG Hao-qiang
（Department of Physics and Electronics Engineering，Hechi University，Yizhou，Guangxi 546300，China）

Abstract:The mathematical model of optimization analysis of a support was established，solid92 unit was selected to divide the net，pressure of 15E6Pa was applied to inner hole of the lower part of the barrel of support.The out diameter of support's cylinder was selected as design variables，the sum of displacement of the support was defined as state variables and set its minimum value at 0.35mm，the volume of support was defined as objective function.optimization calculation was made based on zero-order method and worked out the outer diameter of barrel that satisfied the allowable stress and minimized the sum of displacement.

Key words:support；cylinder；structure optimization

作者简介：张浩强（1985-），男，湖南益阳人，硕士研究生，工程师，主要研究方向：研究方向:有限元分析。

基金项目：河池学院2016教育教学改革课题，编号：2016EA009

收稿日期：2016-01-16

中图分类号：TB657.5

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）02-0060-01