許 軍

（惠州商貿(mào)旅游高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 惠州 516000）

ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

許 軍

（惠州商貿(mào)旅游高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 惠州 516000）

ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)專業(yè)性很強(qiáng)，通過應(yīng)用先進(jìn)的ANSYS軟件，能夠?qū)C(jī)械構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此，ANSYS有限元分析軟件被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑工程設(shè)計(jì)中。文章首先對(duì)ANSYS有限元分析軟件以及ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了分析，然后以某一機(jī)械設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，對(duì)ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行了探究，以期促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

機(jī)械設(shè)計(jì)；ANSYS軟件；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑工程設(shè)計(jì)

1 概述

優(yōu)化設(shè)計(jì)指的是在設(shè)計(jì)過程中尋找最完善的設(shè)計(jì)方案，從而滿足所有的設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)如今，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，有限元分析技術(shù)也日漸完善，并逐漸被應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，不僅能夠?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供便利，而且能夠有效提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分明顯，因此對(duì)有限元分析軟件及其應(yīng)用方式進(jìn)行詳細(xì)探究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 ANSYS有限元分析軟件概述

ANSYS有限元分析軟件是由多個(gè)模塊所組成的，包括分析計(jì)算模塊、前后處理模塊等，現(xiàn)如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大型機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中。在ANSYS有限元分析軟件的前處理模塊中，有Pro/E、UG等建模工具，在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，可以結(jié)合實(shí)際情況選用具體的制圖軟件對(duì)機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。在對(duì)計(jì)算模塊進(jìn)行分析過程中，可以模擬出不同種類的物理介質(zhì)的相互作用，因此分析靈敏度比較高，而且分析能力比較高。另外，通過應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件的后處理模塊，可以彩色等值線、圖表以及圖像等形式顯示出計(jì)算結(jié)果。在對(duì)機(jī)械構(gòu)件模型進(jìn)行有限元模型分析過程中，需要不斷進(jìn)行修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，但是通過應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，只需要根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)語言，對(duì)機(jī)械構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，就可以完善機(jī)械構(gòu)件的設(shè)計(jì)和分析過程，在最大程度上縮短機(jī)械構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)所需時(shí)間，減少設(shè)計(jì)人員的工作量。

3 ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

在機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，最為關(guān)鍵的是建立數(shù)學(xué)模型，而在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)需要結(jié)合實(shí)際情況選用合適的設(shè)計(jì)變量，在一定的約束條件下，通過目標(biāo)函數(shù)計(jì)算獲得設(shè)計(jì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)變量。與傳統(tǒng)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)不同，在ANSIS有限元分析軟件的實(shí)際應(yīng)用中，只需要設(shè)定一定的參數(shù)，就可以表示出數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建要素，包括目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及設(shè)計(jì)變量。

3.2 ANSIS優(yōu)化設(shè)計(jì)分析方法

在ANSIS有限元分析軟件的實(shí)際應(yīng)用中，由于不同用戶對(duì)于ANSIS有限元軟件的掌握程度是不同的，對(duì)此ANSIS可以提供批處理和圖形交互兩種分析方法。其中批處理主要適用于能夠熟練掌握ANSIS分析軟件各項(xiàng)命令的專業(yè)技術(shù)人員，在復(fù)雜程度比較高的機(jī)械設(shè)計(jì)過程中可以采用批處理方式，這樣能夠有效提高有限元分析效率。另外，對(duì)于ANSIS有限元分析軟件的一般用戶，可以采用圖形交互方式，操作更加直觀便捷。還需要注意的是，ANSIS有限元分析軟件可以為軟件用戶提供很多種優(yōu)化設(shè)計(jì)辦法和優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，ANSIS用戶在對(duì)不同的問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以有針對(duì)性地選用相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具或者辦法，從而簡(jiǎn)化分析過程，提供優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的精準(zhǔn)性。

4 ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 問題描述

某機(jī)械設(shè)備是由5節(jié)箱型同步伸縮臂所構(gòu)成的，所有的伸縮臂展開后，整個(gè)機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)度約為27.0m，通過ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效滿足機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度要求和剛度要求，這樣不僅能夠有效降低機(jī)械設(shè)備自重，而且還能夠有效降低設(shè)備造價(jià)。

4.2 有限元分析

4.2.1 建立模型。以機(jī)械設(shè)備的初始結(jié)構(gòu)、尺寸以及工況要求，采用ANSYS有限元分析軟件，從底部至上建模，在建模過程中，首先確定關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次建立線、面、體，最終形成實(shí)體模型。在網(wǎng)格劃分方面，可以綜合應(yīng)用自由網(wǎng)格劃分以及人工設(shè)置網(wǎng)格尺寸的方式完成。

4.2.2 約束及載荷處理。在該機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，其約束點(diǎn)主要位于變幅油缸支座的鉸接位置以及基本臂根鉸點(diǎn)位置，在各個(gè)約束點(diǎn)上需要約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度以及兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并且注意釋放銷軸中心位置的互轉(zhuǎn)自由度，對(duì)于該設(shè)備伸縮臂與滑塊之間的接觸點(diǎn)位置，可以采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合進(jìn)行模擬。在ANSYS有限元分析軟件的處理模塊中，輸入機(jī)械設(shè)備制造所需材料的密度以及重力加速度，程序即可將單元載荷因子數(shù)據(jù)直接計(jì)入總載荷中并進(jìn)行自重計(jì)算。另外，對(duì)于該機(jī)械設(shè)備伸縮臂上的所有附屬裝置，都可以將其質(zhì)量作為集中荷載，并使其作用于相應(yīng)的位置。

4.2.3 有限元分析結(jié)果。通過對(duì)這一機(jī)械設(shè)備進(jìn)行ANSYS有限元分析，當(dāng)該設(shè)備在水平位置全部展開時(shí)，其應(yīng)力以及端部的位移量能夠達(dá)到最大值，而各個(gè)節(jié)臂位置的大部分區(qū)域的應(yīng)力則比較小，最大應(yīng)力主要分布于各個(gè)節(jié)臂以及滑塊的接觸位置，根據(jù)ANSYS有限元軟件分析計(jì)算，應(yīng)力值在132～277MPa之間，局部最大應(yīng)力達(dá)到385MPa。另外，在臂端變幅平面中，最大變形量為0.55m。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立

4.3.1 設(shè)計(jì)變量。在該機(jī)械設(shè)備的ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，由于其各個(gè)節(jié)臂的長(zhǎng)度是在優(yōu)化設(shè)計(jì)前根據(jù)作業(yè)范圍來確定的，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中不可以改變。另外，基本臂與各個(gè)伸縮臂的截面尺寸可以根據(jù)幾何關(guān)系逐步調(diào)整，對(duì)此，可以將基本臂的壁厚Ti、寬度B以及高度H作為本次優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，其中對(duì)于Ti可以根據(jù)連續(xù)變量進(jìn)行考慮。

4.3.2 目標(biāo)函數(shù)。在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，最為主要的目標(biāo)在于保障設(shè)備正常使用功能的基礎(chǔ)上盡量減小設(shè)備體積和自重，材料體積越大，則設(shè)備質(zhì)量越大，因此可以將各節(jié)臂總體積WVOLU作為本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。

4.3.3 狀態(tài)變量。在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，狀態(tài)變量有兩種，分別為部件作業(yè)工況下的應(yīng)力值STRESS以及前端變幅平面的位移量DY。在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，為了保證設(shè)計(jì)剛度和強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際需要，應(yīng)該加強(qiáng)應(yīng)力和位移的控制。

4.3.4 約束條件。（1）剛度約束條件：為了保證設(shè)備的剛度能夠滿足實(shí)際需要，可以將變幅平面最大變形量作為約束條件。在ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，為了簡(jiǎn)化模型的計(jì)算時(shí)間，提高建模進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性，不需要考慮風(fēng)載荷的影響。但是，在ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，還是需要加載風(fēng)載荷，對(duì)探測(cè)臂進(jìn)行校核，確保其能夠滿足剛度需要；（2）強(qiáng)度約束條件：通過ANSYS有限元分析，綜合考慮設(shè)備材料的力學(xué)性能，在本工程中，將應(yīng)力值STRESS控制在375MPa以內(nèi)；（3）尺寸約束條件：綜合考慮初始結(jié)構(gòu)尺寸與各個(gè)節(jié)臂尺寸之間的關(guān)系，以及伸縮臂內(nèi)部油缸的外形尺寸的限制條件，指定高度H、寬度B以及基本臂壁厚Ti的最值，根據(jù)本次研究分析，高度H在0.19～0.44m之間，寬度B在0.19～0.31m之間，基本臂壁厚Ti在0.002～0.006m之間，其中i＝1，2，3，4，5。

4.4 優(yōu)化過程及結(jié)果分析

4.4.1 部件各節(jié)臂厚度的優(yōu)化。在對(duì)各個(gè)節(jié)臂厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)鋼板厚度及其他設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要注意將目標(biāo)函數(shù)的允許誤差控制在1%以內(nèi)，加上初始數(shù)據(jù)，通過16次優(yōu)化循環(huán)，總共得到17組數(shù)據(jù)。其中T1取值4.0916mm、T2取值4.5119mm、T3取值3.0563mm、T4取值2.6187mm、T5取值2.509mm。綜合考慮機(jī)械設(shè)備的焊接要求，最終，T1取值4.0mm、T2取值4.5mm、T3取值3.2mm、T4取值3.0mm、T5取值3.0mm。

4.4.2 工作裝置截面尺寸的優(yōu)化。確定壁厚尺寸后，對(duì)于各個(gè)部件的截面尺寸，可以采用一階方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變量為高度H以及寬度B，目標(biāo)函數(shù)允許誤差應(yīng)該控制在初始體積的1%以內(nèi)，總共需要進(jìn)行6次優(yōu)化循環(huán)，再加上初始值，總共獲得7組數(shù)據(jù)，并采用隨機(jī)搜索的方式進(jìn)行驗(yàn)證，確保計(jì)算結(jié)果的一致性。

4.4.3 結(jié)果分析。通過對(duì)該機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所得結(jié)果如表1所示，由此可見，部件總體積在優(yōu)化前為0.143m3，優(yōu)化后為0.105m3，體積減少26.4%。由此可見，在本次ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，在保證設(shè)備剛度和強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，盡量減少設(shè)備材料體積，能夠達(dá)到很好的優(yōu)化結(jié)果。

表1 優(yōu)化后工作裝置體積與原始設(shè)計(jì)對(duì)比表（m3）

5 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。通過應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠簡(jiǎn)化計(jì)算過程，有效提高機(jī)械設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，因此值得推廣和應(yīng)用。

[1]王春華，黃楊，孟凡林，等．基于ANSYS液壓支架托梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)及強(qiáng)度分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30（1）.

[2]吳佳燕，李郝林．基于Ansys的主軸系統(tǒng)有限元模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010，26（6）.

[3]楊飛翔，洪鷹，王剛．基于ANSYS頂升平移裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015，34（5）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）

TH122

1009-2374（2017）12-0050-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.026

許軍（1981-），女，河北滄州人，惠州商貿(mào)旅游高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校講師，在職研究生。

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