CN104991990B - 一种切条机关键结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种切条机关键结构优化设计方法，步骤为：建立切条机的分析模型，通过ANSYS软件分析其动静刚度，发现切条机结构设计的薄弱环节；运用响应曲面分析方法，以质量最小为目标、第一阶固有频率和应力应变为约束条件、切条机上关键零件的敏感尺寸为设计变量，分析得到较优参考设计值；依据分析结果，修改切条机模型并进行其动静刚度分析，验证结构优化的合理性。本发明的优点在于：本发明改变了传统的切条机优化设计方法，改善了其动静刚度特性，降低结构设计和制造成本，提高切条机工作效率，可广泛应用于砖机辅助设备的结构优化设计。

Description

一种切条机关键结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及切条机制造领域，特别涉及一种切条机关键结构优化设计方法。

背景技术

切条机是砖坯成型的重要设备，切条机中使用的钢丝在切割泥条时其失效形式主要为断裂，一方面由于钢丝长时间与泥条摩擦引起的断裂；另一方面钢丝在切割过程中碰到坚硬的小颗粒而突然断裂。传统切条机在钢丝断裂时需要停止整个制砖系统的运行，再人工把断裂的切坯钢丝替换掉。这样不仅大大降低了切条机的工作效率，又浪费了电动机空转消耗的电能。

切条机上主要的运动件都集成在切割架上，切割架的横向运动的稳定性直接影响切条机的工作效率和质量。当切割架实际运行时，容易引起整个系统的共振，导致钢丝磨损加剧，增加导轨承受的动态载荷，降低整机的寿命和切条机的工作质量。

因此，提供一种切条机关键结构优化设计方法来改善切条机动静刚度特性，降低结构设计和制造成本，提高切条机的使用寿命和工作效率势在必行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种切条机关键结构优化设计方法，能够改善切条机动静刚度特性，降低结构设计和制造成本，提高切条机的使用寿命和工作效率。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种切条机关键结构优化设计方法，其创新点在于：所述步骤为：

a）建立模型：依据切条机二维图纸，采用PRO/E系统建立切条机的分析模型；

b）导入模型：将分析模型导入到ANSYS WORKBENCH中；

c）网格划分：采用ANSYS WORKBENCH系统对切条机模型进行自动网格划分；

d）设置材料：设置切条机模型的材料属性、初始边界条件和载荷，通过ANSYS软件分析其动静刚度，发现切条机结构设计的薄弱环节；

e）确定尺寸：调用步骤a的切条机模型，设定参数变量，基于特征参照建立切条机参数化模型，确定需要参数化的尺寸；

f）导入软件：利用PRO/E软件和ANSYS软件无缝接口，将参数化模型导入有限元软件中；

g）重复步骤d；

h）建立云图：设定静力学分析的显示结果为变形分布云图和等效应力分布云图，设定模态分析的显示结果为前六阶固有频率，求解有限元模型；

i）数据分析：在有限元软件的参数管理器中，设定各个设计变量的变化范围，运用响应曲面分析方法，以质量最小为目标、第一阶固有频率和应力应变为约束条件、切条机上关键零件的敏感尺寸为设计变量，分析得到较优参考设计值；

j）结果验证：依据分析结果，修改切条机模型并进行其动静刚度分析，验证结构优化的合理性。

进一步的，所述步骤b中，将切条机模型保存为STP格式文件导入到ANSYSWORKBENCH中。

进一步的，所述步骤d中，切条机模型的材料参数包括密度、弹性模量、泊松比和屈服强度；在切条机模型底面施加固定约束；依据实际情况，在切条机相应位置施加分布载荷。

进一步的，所述切条机动静刚度分析包括静力分析和模态分析。

本发明的优点在于：将PRO/E三维建模与ANSYS WORKBENCH相结合，应用有限元分析软件ANSYS分析切条机动静刚度，发现切条机结构设计的薄弱环节。

运用响应曲面分析方法，以质量最小为目标、第一阶固有频率和应力应变为约束条件、切条机上关键零件的敏感尺寸为设计变量，分析得到较优参考设计值。

依据分析结果，修改切条机模型并进行其动静刚度分析，验证结构优化的合理性。

结果表明，优化后切割架质量较原切割架质量减少6.51%，达到了降低切割架自重、提高响应速度的目的，进而提高切条机工作效率和使用寿命。

附图说明

图1为本发明中的切条机的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

本发明中的切条机关键结构优化设计方法，步骤如下：

第一步，依据切条机二维图纸，采用PRO/E系统建立切条机的分析模型。

第二步，将分析模型导入到ANSYS WORKBENCH中，采用ANSYS WORKBENCH系统对切条机模型进行自动网格划分。基于切条机的结构复杂，零件的接触部分相对密集，本实施例中采用了自动划分的方法。

第三步，设置切条机模型的材料属性、初始边界条件和载荷，通过ANSYS软件分析其动静刚度，发现切条机结构设计的薄弱环节。

表1 模型主要结构件材料参数

根据同步切条机的功能原理，机架安装在地面上，所以需要对机架底面进行约束，限制其所有自由度。在分析过程中为了确保切条机实际作业时的正常运行，需要对切条机的极限状态进行强度和刚度分析。本文中切条机的极限状态是钢丝上行切割刚与泥条发生接触时（1.5,0,300）。将切条机所受的外载荷简化为等效载荷加载到整机的相应部位。机身的自重通过设置材料的密度软件可自动添加，车架上的各部分总成简化为分布载荷直接作用在车架的相应部位]。计算所需的主要载荷及其定义方式见表2。

表2 切条机各主要载荷及施加方式

切条机最大应力位于外连杆与钢丝架的联接处，最大应力值为37.597MPa，该值远小于材料45钢的屈服强度355MPa。该处用螺栓联接，并放置垫片，实际应力值应比仿真得到应力值小，由此可知整机的强度足够。

切条机总变形的最大位移在钢丝安装部位，为190.78um；沿X轴方向的最大位移在外连杆上，为119.38um；沿Y轴方向的最大位移在钢丝安装部位，为95.817um；沿Z轴方向的最大位移在机架上沿X轴正方向边角处，为8.5728um。X、Y、Z轴方向的变形量和总变形量相对整机尺寸是很小的，各部分的变形对切条机切割精度影响甚微，这说明切条机整机刚度足够][[i]][[ii]]。

通过上述对切条机应力应变的分析可知，切条机的整体强度和刚度较好。切条机主要承载部件机架的结构性能良好，具有较大的刚度值，能够满足承载切割部件的要求，有较大的优化空间，可对其进一步的分析优化以提高材料利用率和整机性能。机架承载输送机的部位发生应力集中，可在相应位置加一根横梁。

第四步，调用第一步中的切条机模型，设定参数变量，基于特征参照建立切条机参数化模型，确定需要参数化的尺寸。

第五步，利用PRO/E软件和ANSYS软件无缝接口，将参数化模型导入有限元软件中。

第六步， 重复第三步骤。

第七步，设定静力学分析的显示结果为变形分布云图和等效应力分布云图，设定模态分析的显示结果为前六阶固有频率，求解有限元模型。

结合上文切条机运动仿真结果可知，切条机实际工作中会产生振动，容易引发整个系统的共振，使得钢丝磨损或破损加剧，从而降低整机的寿命和工作稳定性。通过模态分析，可以找出设计的薄弱环节，验证结构的抗振性能。大致了解共振频率所处的范围，可以在应用中避开共振区，也为振动试验提供了基本的理论参考值。

应用静力学分析建立的切条机三维模型和网格划分结果，约束机架底面的全部自由度，定义分析类型为模态分析，定义所要提取的模态阶数为6。计算结果如表3所示。

表3 切条机前六阶固有频率

模态分析结果显示，在前三阶振型中定位装置和工作台振幅较大，对切条机切割性能影响大；第五和第六阶整机发生扭振，并伴有机架前端水平方向的振动。可以通过增加定位装置和工作台的厚度提高其固有频率。后三阶振型主要集中在机架前端，对切条机切割性能影响不大。总体上，机架的六阶固有频率为 51.676Hz，电机是主要的振源，带动钢丝架做纵向切割运动的电机的最高转速最高，为3000r/min，经过计算其振动频率为50Hz，与切条机的第六阶固有频率接近，可能会引起共振。因此在对切条机进行结构优化时，要通过提高机架上的固有频率以避开共振频率。同时切条机的一阶固有频率不高，故在优化设计中应尽量提高其一阶固有频率，以避免因共振而造成的损失]。

第八步，在有限元软件的参数管理器中，设定各个设计变量的变化范围，运用响应曲面分析方法，以质量最小为目标、第一阶固有频率和应力应变为约束条件、切条机上关键零件的敏感尺寸为设计变量，分析得到较优参考设计值。

通过降低切割架的质量提高切条机的响应速度和稳定性，选定切条机的质量为优化目标；选取切割架下架厚度、上下工作台的厚度及立柱直径作为设计变量，设置的约束条件为使设计变量的取值10%的范围内变化，即三个输入参数在±10%范围内连续变化，见表4；约束条件为切条机一阶固有频率和最大变形量。

表4 设计变量及相关取值

设计变量	初始值	最小值	最大值
				DS_sgztlianghou	6	5.4	6.6
DS_sgztbihou	5	4.5	5.5
				DS_xgztbinhou	5	4.5	5.5
DS_lizhu	40	36	44

第九步，依据分析结果，修改切条机模型并进行其动静刚度分析，验证结构优化的合理性。

切割架下架厚度、上下工作台的厚度及立柱直径和切割架质量成正比关系，立柱直径和一阶固有频率成反比关系，其它输入参数对一阶固有频率的影响较小。随着立柱直径的降低，切割架质量降低、一阶固有频率增大。

依据上述结果，设计变量响应的重要性等级设置如下：立柱直径目标为小，重要程度为高；其余三个输入参数目标为大，重要程度为低。目标参数响应的重要性等级设置如下：切割架的质量目标为小，重要程度为高；第一阶固有频率目标为大，重要程度为低。

按照设定目标，Design Explorer产生A、B、C三组候选的优化设计点，再对三组值插入设计点作为正式设计点计算后得到结果。

为降低切割架的质量，选取DP3组的数据作为结构改进的依据。将优化参数圆整后，见表5，作为最终设计尺寸修改仿真模型。

表5 圆整后设计变量取值

设计参数	切割架下架厚度	上工作台厚度	下工作台厚度	立柱直径
					取值（mm）	36	18	18	36

对优化后的模型进行动静态特性分析。

表6 优化前后切条机固有频率对比

阶数	1	2	3	4	5	6
							优化前固有频率	14.315	24.684	38.351	42.455	44.48	51.676
优化后固有频率	14.58	24.836	37.4	40.486	43.759	50.896

由表6可知，优化后切条机的前两阶固有频率有所提升，后四阶固有频率降低。这是由于前两阶振型集中在切割架上，后四阶的振型集中在整机和机架上，而本次优化对象是切割架。

表7 优化前后切条机特征参数对比

优化后切条机的应力分布与优化前基本一致；优化后传动箱体的最大等效应力比优化前有所增加，但其结果还是远小于材料的屈服极限355MPa；优化后切条机的最大变形比优化前降低了0.05183。故从静力学角度出发，优化结果是可行的。从表7可知，优化后切条机的第一阶固有频率比优化前增大了0.265HZ。优化后切条机总质量变为732.71kg，比优化前降低了12.56kg。优化后切割架的质量下降了6.51%，达到了对切割架轻量化设计的目的。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种切条机关键结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤为：

a）建立模型：依据切条机二维图纸，采用PRO/E系统建立切条机的分析模型；

b）导入模型：将分析模型导入到ANSYS WORKBENCH中；

c）网格划分：采用ANSYS WORKBENCH系统对切条机模型进行自动网格划分；

d）设置材料：设置切条机模型的材料属性、初始边界条件和载荷，通过ANSYS软件分析其动静刚度，发现切条机结构设计的薄弱环节；

e）确定尺寸：调用步骤a的切条机模型，设定参数变量，基于特征参照建立切条机参数化模型，确定需要参数化的尺寸；

f）导入软件：利用PRO/E软件和ANSYS软件无缝接口，将参数化模型导入有限元软件中；

g）重复步骤d；

h）建立云图：设定静力学分析的显示结果为变形分布云图和等效应力分布云图，设定模态分析的显示结果为前六阶固有频率，求解有限元模型；

i）数据分析：在有限元软件的参数管理器中，设定各个设计变量的变化范围，运用响应曲面分析方法，以质量最小为目标、第一阶固有频率和应力应变为约束条件、切条机上关键零件的敏感尺寸为设计变量，分析得到较优参考设计值；

j）结果验证：依据分析结果，修改切条机模型并进行其动静刚度分析，验证结构优化的合理性。

2.根据权利要求1所述的切条机关键结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤b中，将切条机模型保存为STP格式文件导入到ANSYS WORKBENCH中。

3.根据权利要求1所述的切条机关键结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤d中，切条机模型的材料参数包括密度、弹性模量、泊松比和屈服强度；在切条机模型底面施加固定约束；依据实际情况，在切条机相应位置施加分布载荷。

4.根据权利要求1所述的切条机关键结构优化设计方法，其特征在于：所述切条机动静刚度分析包括静力分析和模态分析。