基于ANSYS的采煤机支撑板的拓扑优化设计.doc

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.32No.10 Oct.2011 第32卷第10期2011年10月 0引言 当前采煤机支撑板的研究主要是利用ANSYS 软件对其进行有限元分析,提出改进意见,为其结构设计提供参考,但这种方法很难对结构改进的优劣进行量化。本文针对采煤机支撑板采用拓扑优化的理论得到要去除材料的具体云图,结合实际应用以及工业造型的原则得到了好的应用结果。 1采煤机支撑板的力学模型 力学模型是采煤机支撑板进行ANSYS分析的基础,力学模型正确与否直接影响到分析结果。采煤机支撑板的力学模型不仅仅是正确的受力分析和加载,还包括准确的材料属性、准确的单元属性和合适的网格划分标准。 1采煤机支撑板受力分析和加载 如图1所示,采煤机支撑板在工作时A、B和C 3个孔承受采煤机机身的大部分力,力的方向竖直向下;同时支撑板又通过D孔把力传给支撑滑靴,所以D孔受到竖直向上的反约束力;支撑滑靴在刮板输送机上运动时又会产生摩擦力,所以支撑板在运动过程中又受到来自支撑滑靴的摩擦力的作用,方向沿水平方向。 图1优化前的采煤机支撑板 根据ANSYS的分析特点,在A、B和C孔加载竖直向下的面力,在D孔加载竖直方向的全约束,在D孔加载水平方向的摩擦力。 2采煤机支撑板的材料属性 采煤机支撑板采用的是100mm厚的钢板,查设计手册知其弹性模量E2.06105MPa,泊松比μ0.3,密度ρ7.810-6kg/mm3,屈服极限σs270MPa。 3采煤机支撑板的网格划分 ①单元类型的选择单元类型的选择关系到是否能准确地模拟实际工况,在本文中结合采煤机支撑板的结构特点和拓扑优化实际采用三维实体单元SOLID92。 ②网格划分网格划分是ANSYS分析的重要环节,网格划分的精度是否合适都直接影响到分析的正确与否,精度太低会中断计算,而精度太高会影响运算速度。考虑采煤机支撑板模型的复杂程度和拓扑优化的实际,全部采用3级精度划分网格。2采煤机支撑板的拓扑优化 机械结构优化设计分为尺寸优化和拓扑优化形状优化。拓扑优化由于建模方便,优化后的结果可提高结构的性能和减小质量,最主要的是拓扑优化后的云图可很直观地被应用到机械设计中去,可大大节省设计人员的时间,缩短产品的设计周期。 拓扑优化的理论是目标函数在满足结构的约束情况下减小结构的变形能。减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术通过使用设计变量给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。 基于ANSYS的采煤机支撑板的拓扑优化设计 刘晓辉,刘斌双,李玉标,李亮 三一重型装备有限公司,沈阳110027 摘要针对采煤机支撑板的结构特点,首先根据支撑板的应用空间建立有限元模型,从而对其进行拓扑优化,找到了可以去除材料的范围,然后根据拓扑优化结果对原模型进行修改,最后再对其进行有限元分析,取得了好的优化结果。 关键词采煤机;有限元;拓扑优化 中图分类号TD421.6文献标志码A文章编号1003-0794201110-0022-02 Optimal Design of Topology Based on ANSYS about Supporting Plate of Shearer LIU Xiao-hui,LIU Bin-shuang,LI Yu-biao,LI Liang Sany Heavy Equipment Co.,Ltd.,Shenyang110027,China AbstractThe structure character about the supporting plate of shearer was studied.First,the finite element model was built to meet the applicable space about the supporting plate.Then topology optimization was carried out,and the area that was removed was found,and the primary model was modified to meet the result of topology optimization.At last,the finite element analysis was carried out ,and the better optimal effect was made. Key wordsshearer;FEM;topology optimization A D B C 22 1指定要优化和不优化的区域 拓扑优化通过设定单元类型号来控制模型的优化部分和不优化部分,只有单元类型号为1的部分才能够进行拓扑优化。在本文中结合实际应用设定图1中的A 、B 和C 孔所在的矩形块以及D 孔所在的矩形块的单元类型号为2,而剩下的大矩形块的单元类型号为1。 2定义和控制载荷工况 ANSYS 支持多工况下的拓扑优化,在本文中由于采煤机支撑板受到竖直方向的压力和水平方向的摩擦力的双重作用,况且摩擦力的方向随采煤机的运动方向的改变而改变,所以在本文是多工况下的拓扑优化设计。 3拓扑优化的求解和查看结果 设定去除材料的百分比为15,收敛的公差为0.01,迭代次数不超过50次。拓扑优化后的云图如图2所示。 图2拓扑优化后的采煤机支撑板 从图2可以看出采煤机支撑板中间大矩形块 两侧特别是下边的两侧材料富裕,可以为设计提供参考。 3采煤机支撑板拓扑优化后的设计 根据拓扑优化的结果结合工业造型和实际应用对原材料板进行改进,改进后的结果如图3所示。 图3采煤机支撑板拓扑优化后的改进结果 4 采煤机支撑板改进后有限元分析 机械设计的基本要求是设计出工作可靠价格低廉的产品,同时机械设计是一个设计-改进-设计反复进行的过程,采煤机支撑板的设计也不例外,根据拓扑优化结果改进的支撑板有必要再进行有限元分析。在保持原来有限元单元类型、网格划分以及加载方式不变的情况下对改进后的支撑板进行有限元分析,分析后的等效应力云图和合位移云图如图4和图5所示。从ANSYS 分析云图可以看出,根据拓扑优化结果改进的采煤机支撑板是符合设计要求和使用要求的。 图4采煤机支撑板改进后的等效应力云图 图5采煤机支撑板改进后的合位移云图 5结语 1对采煤机支撑板进行了力学分析,确定了力的大小和加载方式,确定了支撑板材料的属性,确定了有限元分析的单元类型和网格划分方式;2确定了拓扑优化的区域、控制了拓扑优化的工况、确定了拓扑优化去除材料的数值和迭代次数;3对改进后的结果进行有限元分析,验证了拓扑优化结果的合理性; 4以上研究结果已经在设计中得到应用,证实了本文研究结果的可行性。 参考文献 [1]刘志强,王明强.应用拓扑优化理论进行结构概念设计[J ].机械 与电子,2005127-29. [2]刘海江,赵磊,李运.应用拓扑优化方法的发动机罩板结构轻量 化研究[J ].现代制造工程,200994-7. [3]陈立德.机械设计基础[K ].北京高等教育出版社,2004. 作者简介刘晓辉1976-,山东聊城人,硕士,机械工程师,2010 年毕业于广西大学机械工程学院机械设计及理论专业,研究方向为可靠性及优化设计,现从事机械设计工作,电子信箱lxiaohui0426126. com. 责任编辑王海英收稿日期2011-04-18 第32卷第10期Vol.32No.10 基于ANSYS 的采煤机支撑板的拓扑优化设计刘晓辉, 等.20498763.421126.638189.854253.07 31.81395.029158.246221.462284.678 .11046.22092.331381.441841.05523.16569.276151.386611.497071 版权声明 本刊已许可中国学术期刊光盘版电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章发表的行为即视为同意我社上述声明。 煤矿机械杂志社 2011年7月12日 A B C D 23