針對國內(nèi)某單腔顎式破碎機機架進行研究
1圓錐式破碎機概述
針對應電機振動給料機用最廣泛的單腔顎式破碎機機架進行有限元分析,建立了優(yōu)化模型,并給出了優(yōu)化結(jié)果。
2輸送機械實體模型的建立
由于顎式破碎機機架的結(jié)構(gòu)比較復雜,考慮ANSYS的網(wǎng)格劃分精度和優(yōu)化的順利進行,在保證分析精度的提升輸送設備前提下,略去對結(jié)構(gòu)強度和剛度影響甚小的圓角和倒角;考慮結(jié)構(gòu)的對稱性以及計算機的運算時間和存儲容量,在建立實體模型時建立機架的一半。生成的實體模型。
3力學直線篩模型的建立
力學模型是有限元計算的基礎(chǔ)。該模型包括材料屬性,單元類型,網(wǎng)格劃分,載荷和約束條件的皮帶式輸送機施加。
3.1顎輸送網(wǎng)鏈式破碎機
機架的材料屬性顎式破碎機機架材料為ZG35Ⅱ,該材料的彈性模量E= 2.02×105 MPa,泊松比μ=0.3,密度ρ破碎機=7.8×10-6 kg(mm)3,屈服極限為σs=270MPa. 3.2顎式破碎機機架的單元類型在選取單元類型時要綜合考慮計算精度和計算時間。本文中對顎式破碎機機架選用三維二次10節(jié)點四面體單元SOLID92<6>反擊破碎機。
3.3顎式破碎機機架的網(wǎng)格料倉破拱劃分
網(wǎng)格劃分是有限元分析中的重要環(huán)節(jié),所劃分網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將直接影響標準振篩機計算精度,質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至會中斷計算。
考慮顎式破碎機機架模型的復雜程度和優(yōu)化的需要,單元尺寸全部采用6級精度,機架煤礦皮帶輸送機實體模型采用自由劃分方式,共生成115212個單元,111946個節(jié)點。顎式破碎機機架的網(wǎng)格劃分結(jié)果,如圖2所示。
3.4顎式破碎機機架載荷和約束條可彎曲刮板輸送機件的施加
載荷的施氣旋篩加與工程實際是否吻合直接影響到分析結(jié)果的正確性和合理性??紤]實際工況對破碎機機架實體模型做如下處理:
?。?)由于破碎機機架軸承座受到余弦力的作用礦山輸送機械,所以在建立有限元模型時,將軸承座內(nèi)表面下半部分在周向平均分為180份,以便在軸承座加載余弦力<7>。
(2)由于復擺顎式破碎機最大破碎力多發(fā)生在破碎腔定顎齒板高度(0.35~0.65)處<8>,為了模擬破碎機機架前壁的實際工況,建一個固定齒板的簡化模型,并在其內(nèi)表面齒板高度(0.35~0.65)處建立一個面,為加載面力做準備。
?。?)根據(jù)破碎機后支座部分的實際受力狀況,建立一個后支架的簡化模型,并根據(jù)肘板的支撐位置建立一個肘板支撐面的簡化面,為合理加載破碎機機架側(cè)壁力做準備。
根據(jù)顎式破碎機的實際工況,在軸承座內(nèi)表面加載余弦面力,在固定齒板簡化模型的(0.35~0.65)處加載面力,在肘板支撐面處加載面力。
各力的數(shù)值。
在實際工作中,由于顎式破碎機機架是固定在地基上不動的,故在破碎機機架底板上施加全約束;由于本文分析的是機架實體的一半,故在機架對稱面上施加對稱邊界約束。
4求解計算及結(jié)果分析
計算結(jié)果分析:(1)軸承座和側(cè)面的豎加強筋之間的等效應力較大;(2)前墻內(nèi)側(cè),側(cè)墻和前墻橫加強筋相交處等效應力較大;(3)后墻,前墻的外墻,側(cè)面,最下加強筋的等效應力較?。唬?)軸承座外側(cè)合位移較大;(5)機架整體下部合位移較小;(6)機架整體的剛度和強度分布不均。
5基于APDL的顎式破碎機機架的優(yōu)化設計
APDL是一種參數(shù)化設計語言,其與ANSYS的分析命令相結(jié)合就可以實現(xiàn)參數(shù)化建模,參數(shù)化施加載荷,求解以及參數(shù)化后處理,從而建立優(yōu)化分析文件。
5.1優(yōu)化參數(shù)的確定的原則
根據(jù)顎式破碎機架的計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)特點,將機架壁厚和加強筋作為主要優(yōu)化部位<9>,也就是在此設定詳細的優(yōu)化參數(shù)。
考慮機架優(yōu)化后要應用于實際生產(chǎn),在建立有限元模型時將面與面之間的過渡處隱藏在加強筋里面。
5.2優(yōu)化設計的數(shù)學模型
5.2.1目標函數(shù)(OBJ)
由于研究的是破碎機機架在滿足原來強度和剛度不下降前第12期黃偉等:基于APDL的顎式破碎機機架的有限元分析與優(yōu)化設計48提下的優(yōu)化設計,所以以破碎機機架的體積V最?。ū疚膶嵵钙扑闄C機架體積的一半)為目標函數(shù)。
5.2.2設計變量(DVs)
設計變量指在設計過程中要尋優(yōu)的不斷變化的一組參數(shù)。
設計變量越多,優(yōu)化的效果就越好,但問題也就越復雜,求解的難度也就越大。
根據(jù)研究對象的特點取在參數(shù)化建模中確定的優(yōu)化參數(shù)為設計變量。
5.2.3狀態(tài)變量(SVs)
選取顎式破碎機機架的最大等效應力和最大合位移為狀態(tài)變量。
5.3優(yōu)化方法的選取
ANSYS提供了兩種優(yōu)化方法,即零階和一階方法。零階方法采用所有因變量的逼近,可以有效的處理絕大多數(shù)的工程問題。一階方法使用偏導數(shù),雖然計算精度高但不能保證得到最佳結(jié)果。
綜合對比以上兩種優(yōu)化方法,并針對顎式破碎機機架的結(jié)構(gòu)特點,采用零階方法對機架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,計算量小,循環(huán)次數(shù)少,容易得到最優(yōu)解。
5.4顎式破碎機機架的優(yōu)化設計
ANSYS優(yōu)化設計通常包括以下幾個步驟:(1)生成循環(huán)所用的分析文件;(2)設定參數(shù)變量;(3)進入OPT,指定分析文件(OPT);(4)聲明優(yōu)化變量;(5)選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法;(6)指定優(yōu)化循環(huán)控制方式;(7)進行優(yōu)化分析;(8)查看設計序列結(jié)果和后處理。
根據(jù)以上數(shù)學模型結(jié)合顎式破碎機機架的結(jié)構(gòu)特點,首先利用APDL參數(shù)化設計語言和ANSYS命令創(chuàng)建參數(shù)化分析文件,然后聲明優(yōu)化變量,并確定每個優(yōu)化變量的上下限和收斂容差,選取零階優(yōu)化方法和設定計算次數(shù),當程序運行到第23次時就找到了理想的優(yōu)化結(jié)果。
5.5結(jié)果分析
從等效應力云,可以看出原來比較分散的應力得到改善,并且最大應力由原來的164.99MPa下降到157.09MPa,下降了4.8%,即優(yōu)化后的機架強度得到改善;從合位移云,可以看出原來位移較大的區(qū)域得到明顯改善,且整體剛度得到改善;最關(guān)心的破碎機機架的體積經(jīng)過計算下降了13.9%. MN。
6結(jié)論
針對國內(nèi)某單腔顎式破碎機機架進行了如下研究:
?。?)建立有限元模型,通過劃分網(wǎng)格,加載和計算得到破碎機機架的有限元計算結(jié)果,從而找出原來機架薄弱和富裕的環(huán)節(jié)。
?。?)建立了單腔顎式破碎機機架的優(yōu)化設計理論模型,結(jié)合APDL參數(shù)化設計語言生成循環(huán)所用的分析文件,然后通過設定參數(shù)變量,聲明優(yōu)化變量等優(yōu)化步驟,最后由計算機進行優(yōu)化分析,得到理想的優(yōu)化效果。
?。?)以上研究結(jié)果已經(jīng)在生產(chǎn)企業(yè)中得到有效應用,證實了研究結(jié)果的可行性。
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