基于ANSYS下的壓力機剪刃結構優化設計

涂秋艷， 黨繼輝， 溫瑞

（1.浙江工商職業技術學院，浙江寧波315012；2.寧波凹凸重工有限公司，浙江寧波315012）

基于ANSYS下的壓力機剪刃結構優化設計

涂秋艷1， 黨繼輝2， 溫瑞1

（1.浙江工商職業技術學院，浙江寧波315012；2.寧波凹凸重工有限公司，浙江寧波315012）

運用ANSYS分析軟件優化設計模塊，對壓力機剪刃結構進行靜力學結構分析，通過設計相關設計變量，優化了剪刃結構的主要設計參數。實踐表明，該方法有效地實現了產品結構的快速設計與創新。

優化設計；壓力機；設計參數

0 引言

結構優化設計與分析是把力學概念和優化技術有機地結合，根據設計要求，使參與計算的量部分以變量出現，形成全部可能的結構設計方案域，利用數學手段在域中找出滿足預定要求的不僅可行而且最好的結果。根據該設計方法，可以從比較多的設計結果中尋找出最優的結果。最優就是從可以滿足要求的方案中，找到比較合適的性態（如重量、面積、體積、應力、費用等）最小。

文中以壓力機中的上下剪刃為例，利用ANSYS的優化分析功能對其按照重量最輕的原則進行了優化設計，方便快捷地得到了較好的優化結果（重量最輕），實現了利用ANSYS的優化分析功能進行壓力機剪刃優化設計的全過程。

1 ANSYS優化分析的基本概念

優化設計是以數學中的最優化理論為基礎，以計算機為手段，根據設計所追求的性能目標，建立目標函數，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優的設計方案。

優化模型可表示為：

式中，F（X）為X的函數，X為設計變量，gi（X）為狀態變量。優化的過程就是通過改變X的數值來完成，對于每一個X都有上下約束限制，規定X中的每一個元素xk（k=1，…，N）的最大值、最小值，它定義了設計變量的變化范圍：

1）設計變量（DV）：設計過程中所要選擇描述結構特性的量，可以是各個構件的尺寸、面積、重量等幾何參數。

2）狀態變量（SV）：用以約束的變量值，一般有尺寸幾何約束及工作性態上的一些限制。

3）目標函數：用來衡量設計好壞的指標，通常與DV具有相對應的函數關系。

4）設計序列：指的是特定的一個設計變量的數學集合。

5）分析文件：通常指一個完整的求解過程（前處理，求解，后處理）。

2 剪刃的優化設計

2.1 問題描述

本課題所要優化的目標剪刃長為240 mm，剪刃內半徑為157 mm，允許承受最大壓應力為［σy］=572，材料為H13鋼，鋁棒材料的彈性模量E=210 GPa，泊松比ε= 0.35，密度為7.8×103kg/m3，剪刃的約束載荷主要為內半圓環面的壓力70 MPa。設計的目標是對剪刃重量進行優化，使其重量減小并能承受最大壓應力572 MPa。

圖1 壓力機剪刃工作示意圖

2.2 建立優化設計數學模型

把剪刃外徑設為設計變量，以外徑R1=180 mm，Smax= 572 MPa為設計初始值，建立優化數學模型；本次以剪刃的外半徑R為設計變量：Rmin=160 mm，Rmax=220 mm；同時確定以最大等效壓應力Smax為狀態變量，優化的目標為最小總體積VTOL。

根據上述條件，得到以下優化設計模型：

圖2 有限元結構圖

2.3 結構優化設計

為了便于模型的分析與簡化，假設剪刃的受力狀態是剪刃長度方向的軸向應力值為零，可以將目標簡化為簡單的平面應力問題，因此分析時選擇Quad 4 node182單位進行仿真分析。通過參數設置，設置外半徑R1=180 mm，內半徑R2= 157 mm，密度DENS=7.8，厚度T=240 mm。

約束與載荷的設置：約束外圓環所有自由度，受力情況施加應力對內圓環P=70 MPa，剩下邊界添加對稱約束，模型加載圖如圖3。

圖3 有限元載荷圖

2.4 結果分析

優化目標是減小剪刃的重量，前提條件是模型能承受572 MPa最大壓應力，經過20次迭代，得最優解（帶*號）為第9次迭代結果（如表1）。進行ANSYS優化分析時，當尋優迭代進行到第9次時，剪刃重量取得最小值，其最優設序列如表1所示（表中數值單位均采用國際單位）。

表1 最優序列表

剪刃的重量、剪刃的外徑等參數隨尋優迭代次數的變化情況如圖4～圖5所示。

圖4 設計變量（外徑）隨迭代次數變化圖

圖5 目標函數WT隨優化次數的變化規律

利用上述參數化設計模型進行求解運算，設計變量完成20次迭代運算，求解最優解，外徑最小時所承受的最大等效應力為63.854 MPa，滿足572 MPa為限的約束要求。該優化設計方案的剪刃重量從初始結構的29 106 kg減小到9302.2 kg，剪刃外半徑由180減小了20 mm，即160.2 mm，優化效果可見一斑。

3 結語

ANSYS軟件優化求解模塊具有十分重要的作用，不僅可以為模具設計提供最優化的設計尺寸，更可以有效提高生產效益，減少人力物力的投入，降低生產成本，遠比傳統設計更為科學方便，也彌補了傳統設計的一些不足之處。目前，ANSYS優化設計軟件已被廣泛應用于工程設計過程中，為今后的精密高速剪切還將提供更多優化設計思路和經濟效益。

應用ANSYS優化工具箱進行建模、有限元分析和優化設計問題求解，不用編寫大量優化算法程序，不但提高了設計效率，而且能達到較高的設計精度，可以大大減少設計成本、縮短設計周期，從而使結構更加科學、合理。

［1］ 任曉丹.基于VB機械優化設計軟件的研究與實現［J］.電腦知識與技術，2010（6）：1411-1412.

［2］ 黃海，湯升林，趙振華.最優化設計方法及其在機械設計中的應用［J］.硅谷，2011（8）：149，146.

［3］ 夏學文，張俊彥，郭小剛，等.基于ANSYS的結構優化設計理論［J］.煤礦機械，2011（3）：30-32.

［4］ 郭彥峰，辛成龍，許文才，等.蜂窩紙板結構平壓性能有限元分析［J］.包裝工程，2009（1）：34-35.

（編輯啟 迪）

Optimal Design of the Press Blade Based on ANSYS

TU Qiuyan1,DANG Jihui2,WEN Rui1
（1.Zhejiang Business Technology Institute,Ningbo 315012,China;2.China Aotu Industry Co.,Ltd.,Ningbo 315012,China）

By utilizing ANSYS finite element analysis software as an analytical tool,the static properties of cutting edge structure for press were analyzed,and the structural optimization designs of the main parameter were improved according to the new design variables．Practice showed that the method could more efficiently implement the rapid design and innovation of the product structure.

optimal design;press;design parameter

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0188－02

涂秋艷（1978—），女，碩士學位，工程師，從事產品（模具）CAD/CAE/CAM方面科研與教學工作。

2014-05-05

浙江省教育廳科研項目（Y201329037）