張浩強(qiáng)

（河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西宜州　546300）

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基于ansys的支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張浩強(qiáng)

（河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西宜州546300）

摘要：建立了支座優(yōu)化分析的數(shù)學(xué)模型，選用solid92單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)支座筒體內(nèi)孔的下半部分施加15E6Pa的壓力。選擇支座筒體外徑為設(shè)計(jì)變量，支座位移和為狀態(tài)變量，并設(shè)置最小值為0.35mm，支座體積為目標(biāo)函數(shù)。采用零階方法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到滿足許用應(yīng)力和位移和的最小筒體外徑。

關(guān)鍵詞：支座；圓筒；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種確定結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需支出的重量、體積、應(yīng)力等達(dá)到最小值[1]。本文所優(yōu)化設(shè)計(jì)的支座由筒體、肋板、底板組成，主要用來支撐軸。支座受力時(shí)，各部分的應(yīng)力和位移是不同的，尤其是筒體的變形較大。優(yōu)化時(shí)，筒時(shí)內(nèi)徑值是固定不變的，只能將筒體的外徑設(shè)為自變量，進(jìn)行優(yōu)化。

2　支座有限元模型的建立

先建立支座的底板，并挖掉4個(gè)螺栓孔，再建立支座的肋板，最后建立支座的筒體，筒體的外徑用參數(shù)r1代替，r1=80mm。建模時(shí)一定要注意，筒體中心線以上半部分一定要高于帶圓弧的肋板。如果低于或等于，優(yōu)化時(shí)筒體外徑變大，將為使面號(hào)改變，優(yōu)化時(shí)，位移施加的面，載荷施加的面都會(huì)變，最后導(dǎo)致優(yōu)化失敗，建好后的模型如圖1所示。

2　支座網(wǎng)絡(luò)劃分

支座采用鑄鐵材料，彈性模量E=1.7×105N/mm2，泊松比μ=0.3，劃分網(wǎng)格時(shí)，設(shè)置單元尺寸為15mm，采用適合模擬不規(guī)則形狀結(jié)構(gòu)的solid92單元。劃分網(wǎng)格后的模型如圖2。

3　施加載荷并求解

對(duì)支座的底面施加z方向的位移約束，對(duì)支座的4個(gè)內(nèi)孔施加x、y方向的位移約束。對(duì)支座筒體內(nèi)孔的下半部分施加15e6Pa的壓力。最后得到支座的位移和如圖3所示，最大位移為0.045435mm，分別在筒體的頂部和筒的前后部分的左下和右下。支座的vonmises等效應(yīng)力為75.83 e6Pa，小于許用應(yīng)力［σ］=150e6Pa，由于筒

體的外徑要增大，所以von mises應(yīng)力還會(huì)減小，所以優(yōu)化計(jì)算時(shí)，不用把von mises應(yīng)力做為狀態(tài)變量。

4　對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化

設(shè)計(jì)變量為圓筒內(nèi)徑，85≤r1≤140；狀態(tài)變量為位移和，dsum≤0.035；目標(biāo)函數(shù)為總體積TVOL，選擇零階優(yōu)化方法，因?yàn)榱汶A方法只用到因變量而不用偏導(dǎo)數(shù)運(yùn)算速度較快。并指定優(yōu)化迭代的最大次數(shù)為30次，迭代后因滿足收斂條件而退出，共獲得6組數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)果見表1，（*）表示ansys指定最優(yōu)組數(shù)據(jù)。

5　優(yōu)化后的結(jié)果分析

優(yōu)化后圓筒外徑尺寸為95.529mm，比初始值r1=80m m，增加了15.529mm，位移和從0.045435mm降低到了0.034859mm，小于0.035的最大許可位移值。從圖4可以看出優(yōu)化后的最大vonmises等效應(yīng)力值為0.591E8Pa，小于許用應(yīng)力［σ］=150e6Pa。運(yùn)用ansys進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能找出滿足設(shè)計(jì)要求的最小參數(shù)值，大大減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本和周期，計(jì)算結(jié)果完全可以滿足工程設(shè)計(jì)需要。

參考文獻(xiàn)

［1］張朝暉.ANSYS12.0分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010，（1）：509－510.

［2］楊軍.基于ANSYS的軸承座的模態(tài)分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，（4）：56－57.

［3］王學(xué)文.ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)若干問題探討［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，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

作者簡(jiǎn)介：張浩強(qiáng)（1985-），男，湖南益陽人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：研究方向:有限元分析。

基金項(xiàng)目：河池學(xué)院2016教育教學(xué)改革課題，編號(hào)：2016EA009

收稿日期：2016-01-16

中圖分類號(hào)：TB657.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）02-0060-01