整体卡箍齿啮式快开结构优化设计.pdf

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1、ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１３年第１０期整体卡箍齿啮式快开结构优化设计何慧慧，董金善，丁培丽，潘兵兵，杨云雨（南京工业大学机械与动力工程学院，南京２１１８１６）摘要：针对国内缺少对整体卡箍齿啮式快开结构研究的问题，以ＡＮＳＹＳ软件为主要工作平台，建立整体卡箍齿啮式快开结构的三维模型，根据实际工况对其约束与载荷作了有效处理，通过有限元分析，得到整体卡箍齿啮式快开结构的应力分布规律。在满足强度及抗疲劳性能的前提下，以重量最轻为目标，对该结构进行优化，优化后质量减少

2、了１６．７４％。关键词：整体卡箍齿啮式快开结构；ＡＮＳＹＳ软件；有限元分析；优化设计中图分类号：ＴＨ１２　文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—３１３３（２０１３）１０—００６０—０５Optimaldesignofintegraltooth-lockedquickopeningstructureＨｅＨｕｉｈｕｉ，ＤｏｎｇＪｉｎｓｈａｎ，ＤｉｎｇＰｅｉｌｉ，ＰａｎＢｉｎｇｂｉｎｇ，ＹａｎｇＹｕｎｙｕ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ

3、２１１８１６，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｆｏｒｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｌａｃｋｉｎｇｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｏｉｎｔｅｇｒａｌｈｏｏｐｔｏｏｔｈ-ｌｏｃｋｅｄｑｕｉｃｋｏｐｅｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＡＮＳＹＳｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｍａｉｎｗｏｒｋｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎｄ３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｃｔｕａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔａｎｄｌｏａｄａｒｅｅｆ-ｆｅｃｔｉｖｅｌｙｄｅａｌｔｗｉｔｈ．Ｔｈｒｏｕｇｈｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓ

4、ｉｓ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｏｍｅｅｔｗｉｔｈｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｉｔｈｍｉｎｉｍｕｍｗｅｉｇｈｔａｓｔｈｅｇｏａｌ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｎｄｉｔｓｑｕａｌｉｔｙｉｓｏｐｔｉｍａｌｌｙｒｅｄｕｃｅｄｏｆ１６．７４％．Keywords：ｉｎｔｅｇｒａｌｔｏｏｔｈ-ｌｏｃｋｅｄｑｕｉｃｋｏｐｅｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＡＮＳＹＳ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ以满

5、足强度及抗疲劳性能为前提、重量最轻为目标，０　引言进行优化分析，提高了产品性能，降低了制造成本。齿啮式快开装置具有启闭快速、装卸物料方便和１　ANSYS优化设计理论承压能力强等优点，广泛地应用于化工、食品和医疗等工业领域。但是，目前并没有针对齿啮式快开装置优化设计是一种寻找并确定最优设计方案的技结构和工作特点的统一设计标准。在国际上，只有日术。ＡＮＳＹＳ软件提供了零阶和一阶两种优化方法，其本制定了高压和超高压快速启闭密封装置的设计标优化实质都是利用惩罚函数将约束问题转化为无约［１］［２］准，我国则颁布了与之相一致的化工行业标准。束的极值问题。对

6、于这两种方法，ＡＮＳＹＳ程序提供然而，实际生产中使用的大多数齿啮式快开装置属于了一系列分析-评估-修正的循环过程，即对初始设计中、低压容器，尚无相应的标准可循。为提高其疲劳进行分析，依据设计要求对分析结果进行评估，然后［３］寿命，一般对齿啮式法兰进行较保守的设计，产品修正初始设计，循环过程直到所有设计要求均满足［５］不经济，竞争力差。因此，进一步对齿啮式快开装置为止，图１所示为优化数据流向图。零阶方法是进行设计研究具有重要的实际意义。一个很完善的处理方法，可以有效地处理大多数工齿啮式快开结构又可分为整体卡箍式和卡箍与程问题，因此文中选用零阶方法

7、。一阶方法基于目标筒体连成的整体式。国内的研究基本上是针对后者，函数对设计变量较敏感，因此更适合于精确的优化对前者研究则较少。虽然文献［４］针对前者进行了结设计。构优化设计，但仅仅是对整体卡箍齿啮式快开结构的２　整体卡箍齿啮式快开结构有限元分析各部件进行分别研究，并未考虑结构的抗疲劳性能。本文通过ＡＮＳＹＳ软件建立整体卡箍齿啮式快开结构整体卡箍齿啮式快开结构部分剖面图如图２所的参数化有限元模型，并对其进行有限元分析，同时示，主要由筒体、封头、法兰和卡箍等部件构成。其参６０何慧慧，等：整体卡箍齿啮式快开结构优化设计２０１３年第１０期图１　优化数据

8、流向图图３　实体模型数设置如下：设计压力为２．０ＭＰａ，设计温度为１２０℃，控制以及执行网格划分三个步骤。本文采用ｓｗｅｅｐ网设计疲劳寿命为５００００