茶叶滚筒杀青机机架的拓扑优化设计

丁钦 姚迪 张绍友 汪彬 赵时宇

摘要：通过强度与刚度分析，在建立茶叶滚筒杀青机机架的力学结构模型基础上，对茶叶滚筒杀青机机架进行了拓扑优化设计。修改模型设计域和非设计域，进行了有限元拓扑迭代计算。根据原机架的工况和优化目标对模型设定了材料参数、栽荷与约束、响应条件、设计目标，获得了滚筒茶叶杀青机机架轻量化设计方案。使用结果显示：优化后应力分布更加均匀，且质量由原先的280.5kg下降到228.7kg，减重18.5%。

关键词：滚筒杀青机;有限元法;拓扑优化;应力分布;轻量化

中图分类号：TS272 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0167-02

1引言

杀青是许多品种茶叶制作工序的第一步，滚筒杀青机是以翻炒为主，兼有蒸杀作用的高效率连续式杀青机，杀青和杀青机是茶叶生产必须的一道工序和茶叶制造的一种必备机械。传统茶叶滚筒杀青机的主体部分是框架式结构，大部分构件所受的载荷是沿垂直于杆轴的方向作用的，弯矩沿杆长变化很迅速，最大的弯矩常限于一小段内，在较长段内材料不能充分利用。本研究利用hyperworks软件的OptiStruct模块针对茶叶滚筒杀青机的机架进行结构优化，解决杀青机结构不合理、节点处应力集中的问题以达到轻量化的目的。

2流程分析

首先对原机架设计简化处理，建立初始力学模型，并用hypermesh进行网格划分。在可设计范围内扩充设计空间，得到优化原型。划分设计域和非设计域，设计域为可优化区域，非设计域由于连接滚筒外壳、链轮、电机及底架等装置，其尺寸有特殊要求，在拓扑优化中不能改变。

对其设置材料参数，均选用Q235钢，其弹性模量为2.1×10⁵MPa，泊松比为0.3，密度为7.85×10³k/m³，屈服强度为235MPa。添加载荷与约束，运用OptiStruct模块进行求解。设置求解条件与设计目标，在经过拓扑优化计算后，用OSSmooth工具导出CAD模型，利用solidworks进行模型重构，并用其中的评估功能估算优化后机架的质量并与原机架质量进行对比，减重合格后再次将重构后的模型导人hypermesh中进行网格划分，并进行应力应变分析，与原机架的应力进行对比。若应力分布更加均匀，则优化完成。图1为拓扑优化流程示意图。

3有限元模型的建立

为了方便建立模型与拓扑优化，在初期概念设计阶段口，本研究将50mm×50mm×2.5mm的方管简化为的实心长方体，其目的是确定较为合理的杆件布局来提高刚度，为后续设计提供参考。如图2所示，原机架结构由长度为4735mm的4根横档，长度为1130mm的7根撑档，长度为538mm的16根竖挡以及4块撑板组成。下横档两侧中部各有一个小孔，用于安装与底架固定的套筒，后撑板底部放置，用于支撑和调节角度的千斤顶。为了使优化效果达到最佳，将优化范围扩大到所有可以分布杆件的区域。

在整機装配完成进行工作时，机架所受外力主要有来自滚筒自身的重力、滚筒震动时产生的水平方向的冲击力及电机自重，其中滚筒重力集中分布在上横挡五处由螺栓紧固固定的微小区域，可简化分解为距离相等的5个点。受到的约束主要为与底架两侧相固定的套筒以及底部千斤顶的支撑。滚筒自重为15600N，电机自重为400N，考虑1.6左右的安全系数，因此取总重量25000N，平均重力2500-N，电机压力取640N，图3为载荷及约束示意图。

4结果分析

4.1拓扑优化结果

通过对茶叶滚筒杀青机机架进行拓扑优化迭代计算，采用变密度的方法将连续体离散为有限元模型Ⅲ，每个单元内的密度指定为相同。建立柔度响应和质量分数相应，并设置质量分数为约束条件，最大值为0.3，优化目标为挠度最小（刚度最大）。得到图4所示的拓扑优化结构，用OSSmooth工具导出，在考虑加工工艺的基础上，用solidworks软件进行几何重构，将拓扑优化迭代产生的不规则形状修改为易于加工的矩形杆件。

4.2质量分析

将重构模型的实心杆件转换为50mm×50mm×2.5mm的方钢，利用solidworks进行质量评估，与原机架进行对比，质量由原先的280.5kg下降到228.7kg，减重18.5%。

4.3应力分析

重构后再次将CAD模型导入hypermesh中进行有限元分析验算，得到如图5所示应力云图。

如表1所示，优化前机架承受最大应力为74.54MPa，各区域间应力变化较大，优化后机架所承受最大应力为71.97MPa，小于材料屈服强度，最大应力减小且应力分布更为均匀。表1为优化前后茶叶滚筒杀青机机架参数对比表。

5结论

本设计利用hypermesh软件的OptiStruct模块对滚筒茶叶杀青机进行了拓扑优化，实现了在相同工况下应力分布更为均匀，最大应力为71.97MPa，质量由原先的280.5kg下降到228.7kg，减重18.5%。而在加工工艺上，该设计只改变了切割角度和焊接角度，并没有增加太大的难度。在进行机架设计时，利用OptiSt-ruct进行优化能兼顾稳定性与轻量化，是一种可行的思路。