劉曉花

摘要：本文用實體建模軟件SolidWorks建立滾筒的三維模型，ANSYS Workbench 有限元分析軟件對帶式輸送機(jī)滾筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計分析。設(shè)計中，以板厚和軸徑為研究變量，目標(biāo)函數(shù)為滾筒質(zhì)量，約束條件為應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上實施優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化前后對比，滾筒總重量減少499.3kg，大大減輕了滾筒的重量，降低了投資的材料成本，更加符合實際工況要求，達(dá)到了低碳環(huán)保、節(jié)能減排的設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞：ANSYS;帶式輸送機(jī)滾筒;改進(jìn)設(shè)計

0 引言

滾筒做為帶式輸送機(jī)的重要組成部分，其屬于核心受力部件。工作時主要起傳輸和換向作用，由于其在帶式輸送機(jī)中的重要性，滾筒也成為影響整個機(jī)器系統(tǒng)和操作員人身安全的重要因素。

由于數(shù)值模擬的困難，企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)通常借助先進(jìn)的有限元方法分析滾筒的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等指標(biāo)。目前，我國滾筒設(shè)計的有限元分析主要集中在對單個零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單分析，優(yōu)化或設(shè)計單個零件中的一些參數(shù)，如：厚度、直徑，考慮單一參數(shù)對滾筒特性所造成的影響。由于滾筒是由多個零件組成，就需要分析每個參數(shù)對滾筒性能的影響，并進(jìn)行驗證，這就導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計的速度緩慢，加速了資源的浪費。為了解決這個問題，必須要檢核滾筒強(qiáng)度分析方法與過程、精度分析方法與過程，借助ANSYS Workbench 中的Design Exploration 模塊，結(jié)合靜力學(xué)分析，自動生成變量參數(shù)，以此確定參數(shù)對設(shè)計目標(biāo)的敏感度，判斷優(yōu)化數(shù)值，選擇敏感度較高的變量，以此實現(xiàn)滾筒的優(yōu)化設(shè)計。

1 帶式輸送機(jī)滾筒靜力學(xué)分析

滾筒安全系數(shù)過高這一問題，需要將滾筒質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，由于安裝位置及空間無法更改，滾筒質(zhì)量需要結(jié)合零件厚度確定，在滾筒整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計前，需要對滾筒的靜力學(xué)進(jìn)行分析。通過靜力學(xué)分析，掌握滾筒受力之后的最大應(yīng)力，就可了解滾筒的變形、作用力等情況。形成參數(shù)化仿真結(jié)果，為后期滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過強(qiáng)度分析，可判斷出對滾筒應(yīng)力影響最大及最敏感參數(shù)組合，優(yōu)化滾筒參數(shù)的靈敏度。

1.1 建立滾筒三維模型

根據(jù)滾筒結(jié)構(gòu)及尺寸，本文研究對象為長度1150mm、帶寬2100mm滾筒，通過SolidWorks三維建模軟件建立滾筒模型，為提升仿真結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性，簡化圓角、倒角和圓孔等非關(guān)鍵部位，確保滾筒的關(guān)鍵特性，形成簡化的三維模型，如圖1所示。

1.2 材料屬性及單元選擇

在滾筒材料特性基礎(chǔ)上，滾筒材料屬性為Q 275普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料參數(shù)如下表1。

在確定單元分類對有限元分析的基礎(chǔ)上，考慮滾筒受力荷載，滾筒實體部分，選擇solid185三維實體單元，腹板、殼體等一些板狀構(gòu)件，選擇shell181單元。

1.3 網(wǎng)格劃分及受力加載

ANSYS Workbench 基礎(chǔ)上的掃掠網(wǎng)格劃分，單元為3mm，總共45584 個節(jié)點，網(wǎng)格劃分為53572 單元，如下圖2所示。

滾筒工作時承受傳送帶的張力、傳輸端產(chǎn)生的扭矩和自身重力。輸送帶張力分解為法向載荷Pθ和切向摩擦力fθ，摩擦力作用于輸送帶與滾筒的接觸面上，在輸送帶與滾筒的圍包角內(nèi)滿足歐拉公式的變化。

兩種載荷大小為：

式中：

S—滾筒和皮帶分離點的張力，單位：N;

μ-摩擦系數(shù);B-皮帶寬度，單位：mm;

D-皮帶厚度，單位：mm;

經(jīng)計算 S=70500N，μ=0.36。

1.4 滾筒靜強(qiáng)度分析結(jié)果

應(yīng)用第四強(qiáng)度理論評估滾筒的靜強(qiáng)度，得到滾筒等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，受到法向荷載、切向荷載的影響，滾筒最大應(yīng)力為36.93MPa，作用在滾筒兩端，此結(jié)果與理論分析結(jié)果相似。內(nèi)部應(yīng)力強(qiáng)度值低于材料屈服強(qiáng)度（275MPa），安全系數(shù)為5，超過工程要求。因此，有必要對滾筒進(jìn)行優(yōu)化。

2 優(yōu)化設(shè)計流程

滾筒質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計本身為多目標(biāo)與多變量問題，會受到強(qiáng)度條件的限制，需要滿足最低質(zhì)量的目標(biāo)。與此同時，確定變量的變化范圍，在多變量基礎(chǔ)上，存在著較多的可變參數(shù)組合，優(yōu)化設(shè)計主要是為找到滿足要求的最優(yōu)參數(shù)組合。ANSYS Workbench本身是優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)工具的設(shè)計，其可自動設(shè)計參數(shù)組合，能夠確定參數(shù)優(yōu)化設(shè)計最敏感目標(biāo)?；诖?，其可迅速的找到最佳參數(shù)組合，能夠使迭代計算次數(shù)減少，優(yōu)化設(shè)計過程如下圖4所示。

優(yōu)化設(shè)計過程分為兩部分：

在ANSYS Workbench基礎(chǔ)上，建立參數(shù)化模型，確定優(yōu)化參數(shù)的變化區(qū)間。

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計工具，將設(shè)計參數(shù)改變，重新組合，結(jié)合靜力學(xué)分析結(jié)果，判斷參數(shù)對優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)的敏感度，找到變量最佳組合，檢驗優(yōu)化結(jié)果。

3 帶式輸送機(jī)滾筒優(yōu)化設(shè)計

3.1 設(shè)置優(yōu)化變量及其變化范圍

在滾筒參數(shù)化建?；A(chǔ)上可得知，其質(zhì)量取決于筒殼和腹板的厚度以及軸座半徑，將這三項參數(shù)值做為優(yōu)化變量。筒殼厚度t初始值設(shè)定為為20mm，腹板厚度t1為35mm，軸座曲率半徑R為275mm。提出了優(yōu)化設(shè)計變量的參數(shù)范圍，如表2所示。根據(jù)計算，優(yōu)化前滾筒的質(zhì)量為3292.5kg。

3.2 變量組合設(shè)計及敏感度分析

design exploration模塊內(nèi)調(diào)用目標(biāo)，驅(qū)動優(yōu)化工具，確定參數(shù)變化范圍，Goal Driven Optimization 工具可自動生成參數(shù)組合及應(yīng)力、變形值。在靜力學(xué)分析結(jié)論基礎(chǔ)上，確定模型參數(shù)對質(zhì)量和應(yīng)力的敏感度。可獲得結(jié)論，應(yīng)力、質(zhì)量、總變化對腹板厚度t的敏感度最高，通過優(yōu)化工具獲得參數(shù)的最佳組合（即t=17，T1=25，d=585），結(jié)合參數(shù)組合，建立相應(yīng)的滾筒模型，在靜力學(xué)分析基礎(chǔ)上，獲取分析結(jié)果。如圖 5 所示。

優(yōu)化之后的滾筒，最大應(yīng)力集中在滾筒軸兩端，最大應(yīng)力值為55.41Mpa，質(zhì)量為2793.2kg。滾筒優(yōu)化前后對比分析，優(yōu)化前滾筒質(zhì)量為3292.5kg，最大應(yīng)力為35.93Mpa。優(yōu)化后，滾筒軸兩端的應(yīng)力增大，但仍遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度275MPa。同時，滾筒質(zhì)量也降低了499.3kg。

結(jié)論

綜上所述，通過有限元分析軟件，找到了最優(yōu)變量參數(shù)的組合，對滾筒進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到了更好的輕量化設(shè)計效果。帶式輸送機(jī)滾筒累計減重499.3kg，減重幅度為14.7%，說明該方案是正確可行的。滾筒質(zhì)量的明顯下降也有效地降低了滾筒的生產(chǎn)成本和材料消耗。從最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度的角度來分析，滾筒的重量仍有輕量化的余地，可通過驗證其它參數(shù)對滾筒強(qiáng)度、剛度等性能的影響。本文基于 Ansys Workbench 中的Design Exploration 模塊，得到了正確、可行的優(yōu)化設(shè)計方法，為帶式輸送機(jī)滾筒進(jìn)一步輕量化設(shè)計提供了思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]李欣.帶式輸送機(jī)重載改向滾筒改進(jìn)設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2020，41（11）：99-101.

[2]張銘洋.基于ANSYS的帶式輸送機(jī)滾筒改進(jìn)設(shè)計[J].山東煤炭科技，2019（11）：152-154.

2021年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項目：《基于ANSYS的帶式輸送機(jī)換向滾筒有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計》 項目編號：2021A-293