公务员期刊网 论文中心 正文

探究大鼓制作的优化设计

探究大鼓制作的优化设计

1零件分析

1.1零件介绍设计的主要参数

大鼓长度为1000mm,直径为750mm,用Q235板材进行焊接。要保证直径方向变形不能超过0.005mm,绕轴线旋转变形不大于0.01rad/m。根据以往经验,某凹印版辊打样机的大鼓零件初步设计方案如图1所示。大鼓主体、中间衬板(起到加强作用)和两端封面均采用厚度为20mm的Q235板,中间是一根穿心轴,材料为Q235,直径为110mm。

1.2受力分析

该零件在实际工作时,大鼓受到来自刮刀的压力Fr,大鼓受力示意如图2所示。通过实验得出,压力Fr的大小约为30N/cm2。由此可见,大鼓在工作时受力通过其轴线,绕着轴线方向不会有旋转变形,在分析时忽略。

1.3模型构建根据零件图尺寸参数

利用软件对大鼓进行建模,并查出其质量为609.482kg(不含轴的质量)。建模要求尽量合理、参数化,方便后续计算使用。

2传统优化计算

根据大鼓零件的主要参数,考虑大鼓应力和变形需满足工作性能要求,合理设计大鼓。则可以将大鼓的质量定为目标函数,变形和应力为约束条件进行设计,由于在数学模型中x1只对应力起影响作用,根据大鼓的受力情况,应力远小于许用应力,故设置x1为恒定值300mm。,x1、x2、x3、x4为优化参数,f(x)为大鼓质量(kg),则可以建立数学模型δ(x)为大鼓在受力后鼓面相对于轴线的旋转变形;[δ]为允许的旋转变形,[δ]=0.005rad/m,即鼓面上任意点在受力后,在每米内允许出现≤0.005rad的扭转;σ为鼓在受力后内部产生的应力;σs为屈服极限应力,σs=225MPa;x1~x4见图1,在式(1)、式(4)~式(7)中单位为m。迭代计算时取步长为0.0001,可计算得f(x)=403.876kg,x2=0.01147m,x3=0.01094m,x4=0.0112m。质量在满足变形条件的基础上可以减少205.606kg。通过计算,σ=2.136MPa,应力远远小于σs。

3计算机辅助有限元分析

3.1假设

由于整个大鼓是由钢板焊接而成,焊接处为刚性连接,假设其机械性能与母材相同。

3.2有限元模型创建

为了计算方便,在创建有限元模型之前首先对模型进行理想化处理,将零件上的倒角、圆角、小孔和槽等特征去除,以实现模型的理想化,方便后续计算使用。用UGNX软件对大鼓的模型进行简化后,用网格类型为3D四面体CTETRA(10)对之进行网格划分。由于大鼓主体和衬板、穿心轴的材料均为Q235,其对应材料的机械性能。对大鼓进行网格划分,得到简化后的有限元模型通过分析,得到所示的位移云图和应力云图。从图4所示的位移云图和应力云图中可见,变形最大的地方在大鼓没有衬板的地方和方槽处。图中显示的大鼓形状发生了明显的改变,这是由于软件为了凸显变形,采用了夸大的显示手法,而具体位移或应力值的大小是根据云图上的颜色来进行对应确定的。由图4所示可得出以下结论:X方向(直径方向)位移最大为0.001824mm,Y方向(轴向)位移最大为0.0009669mm,Z方向(直径方向)最大为0.0004082mm,应力最大为2.874MPa。即X方向位移最大,为0.001824mm,小于设计要求0.005mm,应力只有不到3MPa,远远小于其屈服极限强度225MPa。这也验证了在传统计算中的主要以位移为优化约束条件的可行性。故以位移为约束条件,质量为目标进行优化。

4优化计算

根据约束条件为X方向位移,以大鼓质量作为目标函数,最大应力设置为屈服极限的60%,约为135MPa,并分别按照式(4)~式(7)来设置x1、x2、x3、x4边界条件,利用UGNX的AltairHyperOpt优化类型进行优化,设置迭代次数为10次。对有限元模型进行约束和施加载荷(同前),通过计算,程序自动优化并改写了模型中x1、x2、x3、x4的尺寸,得到原来中间筋板的厚度为20mm,优化后为10.6mm,滚筒主体的板材厚度原来为20mm,优化后为11.3mm,两侧闷板的厚度优化后尺寸为10.9mm,中间筋板的位置由原来的300mm变为了333mm。优化后的位移云图和应力。X方向(直径方向)位移最大为0.004155mm,Y方向(轴向)位移最大为0.002226mm,Z方向(直径方向)位移最大为0.003519mm,大鼓优化前的分析云图鼓最大应力为4.467MPa。与设计要求相比较,都能满足设计需求。优化后大鼓的质量为395.146kg,较原先减少了214.336kg。

5结语

通过上述两种优化方法比较,可以明显发现,通过UGNX软件对大鼓进行优化计算,其计算的结果比传统计算更为精确,大鼓质量在传统优化计算的基础上进一步缩减,优化后大鼓的变形和应力都能满足设计要求。考虑大鼓的加工工艺性,根据优化结果发现板材尺寸均在10~12mm之间,统一采用厚度为12mm的钢板进行加工,打样机装配后实物照片如图6所示。通过客户一年多的使用,发现设备运行性能良好,精度能够达到预期要求。可见,在确定优化的约束条件和明确优化目标后,采用软件进行优化计算,可以有效地节约资源,提高设计效率,为企业节约成本,创造更大价值。

作者:许洪龙 单位:江阴职业技术学院