結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計方法的探討

元來是你

2021年6月5日 16:16

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摘要：本課題充分利用Ansys有限元分析的計算優(yōu)勢和VB編程的人性化設(shè)計，以立板吊耳為研究對象，旨在探索了一種優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)和提高設(shè)計效率的方法。

一 課題背景：

吊耳廣泛應用于工程機械、車間現(xiàn)場和露天施工場地。但是據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，關(guān)于吊耳的設(shè)計缺乏標準的設(shè)計參考，本課題嘗試利用Ansys和VB探索研究一種吊耳的優(yōu)化設(shè)計方法，為生產(chǎn)制造提供一定的參考。

二 思路方法：

根據(jù)理論及經(jīng)驗公式，提出計算模型，編譯vb程序，最后利用Workbench中Design Exploration模塊對初步設(shè)計進行優(yōu)化，找到最優(yōu)設(shè)計尺寸，具體思路如圖1所示。

圖1 優(yōu)化設(shè)計路線圖

二 使用工況：

立板吊耳使用條件為垂直軸載荷2t，安全系數(shù)為2.5，選用材料為Q235，材料的基本許用應力[σ]=235/1.34=175Mp，[τ]= [σ]/1.732 =101Mp。受力簡圖2如圖所示。

圖2 受力簡圖

三 方案步驟：

1 編寫VB程序

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗及理論公式，選取相關(guān)參數(shù)，編寫VB程序，方便后續(xù)設(shè)計校核使用。其工作界面如圖3所示。初步設(shè)計吊耳的尺寸為r=60mm，h=40mm，δ=15mm，θ=70°，其數(shù)值計算結(jié)果如圖3所示，最大應力為134Mp<[σ]=175Mp，

剪切應力=83.3Mp<[τ]=101Mp
滿足強度條件。

圖3 VB計算界面

圖4 有限元計算結(jié)果

2、Ansys有限元分析

經(jīng)過有限元軟件Ansys分析相同尺寸吊耳的受力情況，其結(jié)果如圖4所示，最大應力值為136.87Mp，與數(shù)值計算結(jié)果幾乎相同，說明有限元模型設(shè)置合理，符合實際要求。同時也驗正了初步設(shè)計尺寸滿足強度要求。

3、尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

如何使吊耳在滿足強度條件的前提下，吊耳質(zhì)量最輕。根據(jù)經(jīng)驗可得，內(nèi)徑越小，外徑越大，角度越小，厚度越大，吊耳越安全，但是吊耳的內(nèi)徑越大，外徑越小，厚度越薄，質(zhì)量越輕。如何有效地解決這對矛盾呢？

下面以初步設(shè)計尺寸為出發(fā)點，利用Workbench中Design Exploration模塊（優(yōu)化設(shè)計模塊），探索研究一種最優(yōu)尺寸結(jié)構(gòu)，使吊耳在滿足強度條件的前提下，吊耳質(zhì)量最輕，節(jié)省原材料，降低生產(chǎn)成本。

在Design Exploration模塊中，幾何模型的尺寸設(shè)計參數(shù)為內(nèi)徑r，寬度h，角度θ和板厚δ。如圖5所示。

圖5 計算模型

有限元分析計算流程如圖6所示，首先設(shè)計計算模型，劃分網(wǎng)格，計算結(jié)果驗證模型的準確性，其次設(shè)計優(yōu)化參數(shù)，設(shè)定優(yōu)化實驗方案，本課題工做26組實驗，計算相應曲面分析不同參數(shù)對吊耳受力的影響，最后設(shè)定多目標優(yōu)化方案，選出最優(yōu)參數(shù)組合，達到優(yōu)化吊耳結(jié)構(gòu)的目的。

圖6 優(yōu)化設(shè)計流程圖

計算結(jié)果如圖7所示，由結(jié)果可以看出內(nèi)徑越小，外徑越大，角度越小，厚度越大，吊耳應力越小，這符合理論計算及實際情況。但應力最小時，吊耳尺寸為r=65mm，h=51mm，δ=16mm，θ=65°，質(zhì)量為3.4Kg，初步設(shè)計質(zhì)量為4.15Kg，節(jié)約材料18%。此時應力為97.56Mp，比需用應力小的多，因此可以適當提高材料的受力大小，進一步優(yōu)化吊耳結(jié)構(gòu)。

圖7 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

二次優(yōu)化設(shè)計參數(shù)方法為，在Design Exploration模塊中，保持幾何模型的尺寸參數(shù)不變，新引進吊耳質(zhì)量參數(shù)m，同時將質(zhì)量和吊耳應力設(shè)為目標參數(shù)，再重復上次優(yōu)化操作步驟，最終其計算結(jié)果如圖8所示。