ANSYS结构优化技术在机械设计中的应用

2017-07-21许军

中国高新技术企业 2017年12期

关键词：机械设计机械设备有限元

许军

（惠州商贸旅游高级职业技术学校，广东惠州 516000）

ANSYS结构优化技术在机械设计中的应用

许军

（惠州商贸旅游高级职业技术学校，广东惠州 516000）

ANSYS结构优化设计专业性很强，通过应用先进的ANSYS软件，能够对机械构件进行优化设计，因此，ANSYS有限元分析软件被广泛应用于机械设备结构设计、建筑工程设计中。文章首先对ANSYS有限元分析软件以及ANSYS结构优化设计方式进行了分析，然后以某一机械设计为研究对象，对ANSYS结构优化技术的具体应用进行了探究，以期促进该项技术的应用。

机械设计；ANSYS软件；结构优化设计；机械设备结构设计；建筑工程设计

1 概述

优化设计指的是在设计过程中寻找最完善的设计方案，从而满足所有的设计要求。现如今，科学技术发展迅速，有限元分析技术也日渐完善，并逐渐被应用于机械产品的结构优化设计过程中，不仅能够为机械结构优化设计提供便利，而且能够有效提高数据的准确性，应用优势十分明显，因此对有限元分析软件及其应用方式进行详细探究具有十分重要的现实意义。

2 ANSYS有限元分析软件概述

ANSYS有限元分析软件是由多个模块所组成的，包括分析计算模块、前后处理模块等，现如今已经被广泛应用于大型机械结构设计过程中。在ANSYS有限元分析软件的前处理模块中，有Pro/E、UG等建模工具，在对机械结构进行设计过程中，可以结合实际情况选用具体的制图软件对机械构件进行建模设计。在对计算模块进行分析过程中，可以模拟出不同种类的物理介质的相互作用，因此分析灵敏度比较高，而且分析能力比较高。另外，通过应用ANSYS有限元分析软件的后处理模块，可以彩色等值线、图表以及图像等形式显示出计算结果。在对机械构件模型进行有限元模型分析过程中，需要不断进行修改和优化设计分析，但是通过应用ANSYS有限元分析软件，只需要根据设计参数语言，对机械构件的参数进行调整，就可以完善机械构件的设计和分析过程，在最大程度上缩短机械构件优化设计所需时间，减少设计人员的工作量。

3 ANSYS结构优化设计

3.1 建立结构优化设计模型

在机械设计优化过程中，最为关键的是建立数学模型，而在建立数学模型时需要结合实际情况选用合适的设计变量，在一定的约束条件下，通过目标函数计算获得设计最优的设计变量。与传统的机械优化设计不同，在ANSIS有限元分析软件的实际应用中，只需要设定一定的参数，就可以表示出数学模型的构建要素，包括目标函数、约束条件以及设计变量。

3.2 ANSIS优化设计分析方法

在ANSIS有限元分析软件的实际应用中，由于不同用户对于ANSIS有限元软件的掌握程度是不同的，对此ANSIS可以提供批处理和图形交互两种分析方法。其中批处理主要适用于能够熟练掌握ANSIS分析软件各项命令的专业技术人员，在复杂程度比较高的机械设计过程中可以采用批处理方式，这样能够有效提高有限元分析效率。另外，对于ANSIS有限元分析软件的一般用户，可以采用图形交互方式，操作更加直观便捷。还需要注意的是，ANSIS有限元分析软件可以为软件用户提供很多种优化设计办法和优化设计工具，ANSIS用户在对不同的问题进行优化设计时，可以有针对性地选用相应的优化设计工具或者办法，从而简化分析过程，提供优化设计结果的精准性。

4 ANSYS结构优化设计实例

4.1 问题描述

某机械设备是由5节箱型同步伸缩臂所构成的，所有的伸缩臂展开后，整个机械设备的长度约为27.0m，通过ANSYS结构优化设计，能够有效满足机械设备的强度要求和刚度要求，这样不仅能够有效降低机械设备自重，而且还能够有效降低设备造价。

4.2 有限元分析

4.2.1 建立模型。以机械设备的初始结构、尺寸以及工况要求，采用ANSYS有限元分析软件，从底部至上建模，在建模过程中，首先确定关键点，然后依次建立线、面、体，最终形成实体模型。在网格划分方面，可以综合应用自由网格划分以及人工设置网格尺寸的方式完成。

4.2.2 约束及载荷处理。在该机械设备设计过程中，其约束点主要位于变幅油缸支座的铰接位置以及基本臂根铰点位置，在各个约束点上需要约束三个方向的平动自由度以及两个转动自由度，并且注意释放销轴中心位置的互转自由度，对于该设备伸缩臂与滑块之间的接触点位置，可以采用节点自由度耦合进行模拟。在ANSYS有限元分析软件的处理模块中，输入机械设备制造所需材料的密度以及重力加速度，程序即可将单元载荷因子数据直接计入总载荷中并进行自重计算。另外，对于该机械设备伸缩臂上的所有附属装置，都可以将其质量作为集中荷载，并使其作用于相应的位置。

4.2.3 有限元分析结果。通过对这一机械设备进行ANSYS有限元分析，当该设备在水平位置全部展开时，其应力以及端部的位移量能够达到最大值，而各个节臂位置的大部分区域的应力则比较小，最大应力主要分布于各个节臂以及滑块的接触位置，根据ANSYS有限元软件分析计算，应力值在132～277MPa之间，局部最大应力达到385MPa。另外，在臂端变幅平面中，最大变形量为0.55m。

4.3 优化设计数学模型的建立

4.3.1 设计变量。在该机械设备的ANSYS优化设计过程中，由于其各个节臂的长度是在优化设计前根据作业范围来确定的，因此在优化设计过程中不可以改变。另外，基本臂与各个伸缩臂的截面尺寸可以根据几何关系逐步调整，对此，可以将基本臂的壁厚Ti、宽度B以及高度H作为本次优化设计变量，其中对于Ti可以根据连续变量进行考虑。

4.3.2 目标函数。在本次优化设计过程中，最为主要的目标在于保障设备正常使用功能的基础上尽量减小设备体积和自重，材料体积越大，则设备质量越大，因此可以将各节臂总体积WVOLU作为本次优化设计的目标函数。

4.3.3 状态变量。在本次优化设计过程中，状态变量有两种，分别为部件作业工况下的应力值STRESS以及前端变幅平面的位移量DY。在本次优化设计过程中，为了保证设计刚度和强度能够满足实际需要，应该加强应力和位移的控制。

4.3.4 约束条件。（1）刚度约束条件：为了保证设备的刚度能够满足实际需要，可以将变幅平面最大变形量作为约束条件。在ANSYS优化设计过程中，为了简化模型的计算时间，提高建模进度和经济性，不需要考虑风载荷的影响。但是，在ANSYS优化设计完成后，还是需要加载风载荷，对探测臂进行校核，确保其能够满足刚度需要；（2）强度约束条件：通过ANSYS有限元分析，综合考虑设备材料的力学性能，在本工程中，将应力值STRESS控制在375MPa以内；（3）尺寸约束条件：综合考虑初始结构尺寸与各个节臂尺寸之间的关系，以及伸缩臂内部油缸的外形尺寸的限制条件，指定高度H、宽度B以及基本臂壁厚Ti的最值，根据本次研究分析，高度H在0.19～0.44m之间，宽度B在0.19～0.31m之间，基本臂壁厚Ti在0.002～0.006m之间，其中i＝1，2，3，4，5。

4.4 优化过程及结果分析

4.4.1 部件各节臂厚度的优化。在对各个节臂厚度进行优化设计时，需要对钢板厚度及其他设计变量进行优化设计，同时还需要注意将目标函数的允许误差控制在1%以内，加上初始数据，通过16次优化循环，总共得到17组数据。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。综合考虑机械设备的焊接要求，最终，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 工作装置截面尺寸的优化。确定壁厚尺寸后，对于各个部件的截面尺寸，可以采用一阶方法进行优化设计，设计变量为高度H以及宽度B，目标函数允许误差应该控制在初始体积的1%以内，总共需要进行6次优化循环，再加上初始值，总共获得7组数据，并采用随机搜索的方式进行验证，确保计算结果的一致性。

4.4.3 结果分析。通过对该机械设备进行优化设计，所得结果如表1所示，由此可见，部件总体积在优化前为0.143m3，优化后为0.105m3，体积减少26.4%。由此可见，在本次ANSYS优化设计过程中，在保证设备刚度和强度符合设计要求的基础上，尽量减少设备材料体积，能够达到很好的优化结果。