长距离带式输送机机架结构优化设计

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1、长距离带式输送机机架结构优化设计　　【摘要】应用ANSYS有限元分析软件对带式输送机机架结构进行强度和刚度分析，并对结果进行优化设计，达到了降低重量、节约成本的目的。【关键词】有限元分析；ANSYS；带式输送机；机架带式输送机是一种连续运输机械，随着现代化大型煤矿矿井的发展，带式输送机作为一种输送设备，被广泛应用在矿山、港口、火力发电厂等行业领域，是应用最广泛的输送设备之一。机架是用于支撑滚筒及承受输送带张力的装置，作为输送系统的重要金属结构，其结构是否满足强度、刚度的要求，直接影响到整体的技术经济指标，对整个输送系统的安全性起着十

2、分重要的作用。因此，对皮带机机架结构进行优化设计有重要的意义。1、有限元分析1.1参数化建模5皮带机机架由钢板焊接而成，除受自身重力外，主要载荷还有滚筒合张力、滚筒自重等。机架长1.75米，宽2.1米，高2.6米，利用APDL语言，采用参数化自底向上的方法建立起机架的有限元模型，模型所有的尺寸在建模开始前都设计为ANSYS参数，在建模中涉及到的模型尺寸必须用参数而不能用数字，体现了参数化的概念。滚筒合张力10吨，Q235B材料弹性模量E=2.1×1011N/m2，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3。1.2网格划分及

3、边界条件划分网格是有限元计算中一个非常重要的步骤，网格的大小、数量及网格外形的程度直接影响到有限元分析的计算结果。本文采用映射网格划分的方式对各个面单元进行网格划分，避免产生特别畸形的单元，生成的单元比较规则，技算出来的结果非常接近实际问题。皮带机机架钢板属于板壳结构，在建模时采用壳单元SHELL63进行模拟。图1为机架网格划分图。参照钢结构设计规范，根据机架实际运行情况，约束机架底座三个方向的线位移。1.3结果分析从结果中可以得到最大应力值为86.2MPa，Q235B钢材强度设计值：f=206N/mm2，最大变形为9mm，构件变形

4、许用值，L/1000。有限元计算结果满足强度刚度的要求，与材料的许用应力和许用变形相比较，均在许用范围内，因此完全可以进行优化设计，减轻机架自重，达到节约成本的目的。2、皮带机头架优化设计5ANSYS提供的优化方法主要有零阶方法和一阶方法。零阶方法是主要通过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题，再用曲线拟合来建立目标函数和设计变量之间关系来实现逼近的。一阶方法是通过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题后，再使用因变量对设计变量的偏导数进行梯度计算，从而确定搜索方向，并用线搜索法对非约束问题进行最小化，在每次迭

5、代中计算梯度确定搜索方向，因而精度较高，但占用的时间相对较多。一阶方法不仅时间消耗长，而且可能陷人局部最优解；零阶方法虽不易陷人局部解，但精度较低。因此，我们综合运用两种优化方法，先用函数逼近的第一类方法（零阶方法）初步求得最优解的基本位置，然后再采用梯度寻优方法（一阶方法）对最优解的位置进行更精确的确定。ANSYS软件的优化模块集成于ANSYS软件包中，它必须与参数化设计语言APDL完全集合在一起才能发挥ANSYS优化设计的功能。在ANSYS中，优化设计的数学描述为：minf（x）x∈Rnf（x）--目标函数xmin≤x≤xmax

6、x--设计变量gmin≤g≤gmaxg--状态变量在上述方程中，g作为状态变量，并不是独立的变量，可以由设计变量得出，并与设计变量相关。优化设计所要进行的计算就是求取合适的设计变量x，使得目标函数值最小。本文运用ANSYS提供的APDL语言对皮带机头架结构进行了优化，ANSYS优化设计的步骤如下：（1）生成循环所用的分析文件。5（2）在ANSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。（3）进入OPT，指定分析文件（OPT）。（4）声明优化变量。（5）选择优化工具或优化方法。（6）指定优化循环控制方式。（7）进行优化分析。（8）查

7、看设计序列结果（OPT）和后处理（POST1/POST26）。采用ANSYS自带的优化模块对模型进行优化设计，并对结果进行圆整，得到的优化前后的数值如表1所示。在满足设计要求的前提下，优化后目标函数减小了11.2%，减重效果十分明显。表1优化前后结果对比立柱腹板厚度/mm立柱翼缘板厚/mm底座腹板厚度/mm底座翼缘板厚/mm角架腹板厚度/mm角架翼缘板厚/mm目标函数/kg等效应力/MPa等效变形/mm优化前1081088897286.29.2优化后861081088631049.83、结论5在机械设计中采用优化设计方法，不仅可以减

8、轻机械设备自重，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产品的质量与工作性能。使用ANSYS有限元优化分析功能解决优化问题的突出优点是可以避免繁杂的计算和计算机变成而得到最优解。从重量减轻的角度来看，与原始设计相比，优化后的板厚较优化前有