基于ANSYS的EBH-360型掘進機回轉臺的拓撲優化設計

關滿杰 馬星楠 張 凱 程 佳

（1.中國人民解放軍65667部隊 77分隊，遼寧 阜新 123000；2.北方重工集團有限公司煤礦機械分公司，遼寧 沈陽 110141；3.北方重工設計研究院，遼寧 沈陽 110141）

0 引言

回轉臺是EBH-360型掘進機的重要部件，它連接機架，支撐截割臂，實現截割頭的鉆進掏槽、掃落煤巖、截割臂的升降、回轉等各項運動，并承受來自截割頭的復雜多變的沖擊載荷[1]。回轉臺的合理結構決定掘進機的工作性能及整機的穩定性，其結構強度、剛度不足將造成截割性能的降低和疲勞斷裂。在傳統的設計中，回轉臺的設計主要靠設計經驗和經驗公式來進行，為了增大回轉臺的強度，安全系數的選擇往往偏大，造成制造材料的浪費，因此很有必要對回轉臺進行優化設計，為生產廠家降低制造成本、提高利潤[2]。

優化設計的方法很多種，如目標優化、拓撲優化等，本文采用拓撲優化的方法對回轉臺進行優化設計。

1 回轉臺三維模型建立及有限元靜力分析

本文直接在ANSYS中建立回轉臺的三維模型，為有利于有限元分析，對其進行合理簡化，將不必要的小孔、凸臺、沉孔、倒圓角等都去掉。選擇單元類型為Solid45單元，采用自由劃分，設置單元尺寸長度為40 mm并對易發生應力集中的部位進行細化，劃分網格[3]。本掘進機回轉臺為鑄造件，材料為鑄鋼ZG35CrMo，調質處理后其屈服強度σs≥510MPa，選用安全系數 n=1.5，計算可得許用安全應力[σ]：

[σ]=σs/n=510/1.5=340 MPa （1）

圖1 回轉臺的位移應力變化云圖1

圖2 回轉臺的位移應力變化云圖2

只有保證回轉臺在極限工況下的最大應力值均小于安全應力，才能進行安全。

本文根據工作實際情況確定回轉臺的兩個極限位置：1）截割臂處于水平位置，向右擺動；2）右側截割頭受力,截割臂處于垂直力最大位置；最終分析所得的結果如圖1、圖2。

由圖1可知，回轉臺的大部分都是37MPa，而且最大的應力為167MPa。由圖2可知，回轉臺的大部分都是35MPa，而且最大的應力為157MPa。

根據以上計算結果可以得到以下兩個結論：

1）通過計算的結果可以確定回轉臺的靜強度條件是充分滿足的，不會在回轉臺工作時發生過載。

2）其次，由于圖1、圖2中的低應力區域過多，且應力較大區域較少，并且最大應力遠小于原材料的屈服強度，因此可以認為原設計過于保守，造成材料浪費，回轉臺的結構有進一步改進的必要。

2 拓撲優化設計及其分析

圖3 拓撲優化的密度云圖1

圖4 目標函數歷程曲線

本文采用的是以線性靜力結構分析為基礎的拓撲優化，然后使用ANSYS為用戶缺省定義的目標函數和約束條件，即將柔量定義為目標函數，體積作為約束條件。在明確優化問題和定義了拓撲優化函數之后，選擇優化判據法(OC)作為求解方法。 在完成以上三個步驟以后，采用一次迭代命令，優化迭代的收斂公差設定為0·0001，優化迭代次數指定為20次。

在默認情況下，ANSYS將繪出結構受力變形情況，并使用9色等值線圖進行拓撲結構的繪制。為了使分析后的材料情況一目了然，選擇將等值線圖設置為雙色，并采用不顯示變形結果，迭代計算后的拓撲優化密度云圖如圖3。

ANSYS拓撲優化的結果輸出為密度云圖，密度值為1的位置，對應密度圖上的灰色區域(彩圖中為紅色)，表示進行結構設計時該處應該布置結構；密度值為0·001的位置，對應密度圖上的黑色區域(彩圖中為藍色)，表示進行結構設計時該處不需布置結構。以上是兩類極限情況，還有一些介于兩值之間的顏色區域，已進行一些必要的處理，將其歸入到兩類中。根據密度云圖看出回轉臺后側部分區域基本不受力，可以將其部分體積去掉，以達到減少體積降低成本的作用。

由回轉臺拓撲優化后的目標函數歷程曲線圖可以看出，回轉臺在滿足技術要求的條件下，體積減少量為12%，最大變形量減少為45%，這有效的節省了回轉臺的材料，從而為生產廠家降低制造成本，創造更多的利潤。

3 結論

本文對極限載荷作用下的EBH-360型掘進機回轉臺進行有限元應力分析，并根據計算結果校核了回轉臺的的靜強度，然后使用ANSYS中的拓撲優化模塊對回轉臺進行拓撲優化，優化結果為體積減少12%，變形量減少45%，這為后續回轉臺改進結構、節省材料、降低成本提供有力的參考依據。

［1］黃日恒.懸臂式掘進機[M].徐州:中國礦業大學出版社,1996.

［2］程佳,毛君,關滿杰,等.EBZ-160型掘進機回轉臺的有限元應力分析[J].煤礦機械,2008,11:61-62.

［3］東方人華.ANSYS7.0入門與提高[M].北京:清華大學出版社,2004,7.