基于ANSYS的壓濾機壓緊板結構優化

胡松等

摘 要：壓緊板是壓濾機上的重要部件，其傳統的設計方法過于安全。本文采用有限元分析軟件ANSYS對壓濾機壓緊板進行結構優化研究。對壓緊板進行參數化建模，根據工況施加約束和載荷，得到壓緊板的應力云圖。在保證安全的前提下對壓緊板進行結構優化。經對比，壓緊板優化后的結構滿足工程要求，節省了大量工程材料。

關鍵詞：壓緊板；ANSYS；參數化建模；結構優化

壓緊板是壓濾機上的重要組成部分，用以壓緊壓濾機的濾板濾框從而進行固液分離。在壓緊板的傳統設計過程中，過度依賴經驗公式，壓緊板的設計偏于安全，造成了壓緊板制造中的材料浪費，增加了壓緊板成本。

本文以某廠研發的型號為1500的壓濾機壓緊板為例，運用有限元理論及有限元分析軟件ANSYS對壓緊板進行結構分析和優化，改進壓緊板結構。

1 ANSYS優化分析的基本原理

ANSYS軟件提供了很多優化設計方法，最常用的主要有零階方法和一階方法。對于這兩種方法，ANSYS具有一系列的分析--評估--修正的循環過程，這一循環過程重復進行直到所有的設計要求滿足為止。基于參數化有限元分析過程的設計優化，首先要定義設計變量、狀態變量及其取值范圍，然后定義目標變量和選擇優化算法，最后確定優化次數后進行計算[1]。

2 優化內容

本文主要研究的內容是運用APDL語言對壓緊板進行參數化建模，對其所受載荷進行簡化，對壓緊板進行有限元靜力分析。通過運用有限元分析軟件ANSYS的結構優化模塊對壓緊板進行結構優化，對實驗數據進行對比。

APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫，即ANSYS參數化設計語言。它是一種類似于PORTRAN的解釋性語言，提供一般程序語言的功能，另外還提供簡單的界面定制功能，實現參數交互輸入、消息機制、界面驅動和運行程序等[2]。

3 壓緊板優化模型

3.1 問題描述

壓濾機壓緊板的主要功能用以壓緊壓濾機的濾板濾框從而進行固液分離。某廠1500型壓濾機壓緊板的結構如圖1所示。

壓緊板設計要求如表1所示。

壓濾機工作時，壓緊板中心凸臺因受液壓缸的壓緊力作用，從而壓緊邊框和濾板。根據工況，壓緊板中心凸臺工作時受到10Mpa的壓緊力。

3.2 數學模型的建立

要使壓緊板的質量最輕化，必須在滿足設計要求的前提下，構建有限元模型，進行優化迭代計算，求得目標函數極值，從而得到最優化的設計方案。優化模型可表示為：

式中，F（X）為目標函數，是X的函數，X為設計變量，gi（X）為狀態變量[3]。

鑒于壓緊板的主要尺寸已經確定，而壓緊板的底板厚度、肋板厚度沒有限定，而底板厚度、肋板厚度對于整體質量影響很大，因此選為設計變量。

壓緊板的材料為Q235，其屈服極限為235Mpa。在壓緊板受壓過程中，其最大應力值不應該超過材料的屈服極限。因此，取壓緊板的最大應力為約束條件，即狀態變量。

優化的目的是壓緊板質量最小，因為壓緊板材質均勻，所以質量最小即是體積最小。因此確定壓緊板體積為目標函數。

確定各變量的范圍，如表2所示。

4 壓緊板優化過程

4.1 壓緊板參數化建模，網格劃分與求解

對設計變量底板厚度A預設初值80mm，對肋板1/2厚度B預設初值15mm后，即可運用APDL語言對其進行參數化建模。壓緊板的材料為Q235，彈性模量為200Gpa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3，屈服極限為235Mpa。模型選用SOLID45單元劃分網格，根據工況，壓緊板工作時底板周圍受到全約束，中心凸臺受到10Mpa的壓力。因此對模型加上邊界條件進行求解。如圖2所示。

經分析，壓緊板工作時的最大應力出現在肋板與中心凸臺的連接處，且最大應力為143.3Mpa，小于材料的屈服極限235Mpa，且具有較大富余，可進行結構優化。

4.2 提取優化變量與優化計算

結構優化前需提取狀態變量和建立優化控制文件。本例以底板厚度A，肋板1/2厚度B為設計變量，以工作時的最大應力SMAX為狀態變量，以各單元的體積總和TVOL為目標函數，選用零階算法中的子問題法，設定迭代次數為7。ANSYS部分程序如下：

執行優化控制文件后，得到表3的迭代結果。其中注*的為最佳值，長度單位為m，應力單位為Mpa。

進一步查看體積隨迭代次數變化的曲線，如圖3所示。

觀察到第六次迭代時體積最小，而第六次迭代的最大應力超過屈服極限，故取第七次迭代結果為最優值。因此得出壓緊板的最佳結構為底板厚度A為0.0495m，肋板厚度B為0.0109m，最大應力SMAX為218.6Mpa，總體積為0.179m3。其中優化后壓緊板總體積由原來的0.24m3下降到0.179m3，減少了25.4%，這將大大降低生產過程中的材料消耗，降低成本，從而產生更大的經濟效益。

5 結束語

本文采用ANSYS結構優化方法對壓濾機壓緊板結構在滿足應力約束條件下進行體積最小的優化設計，得到了最合理的尺寸形狀，優化后壓緊板體積由原來的0.24m3下降到0.179m3，減少了25.4%，從而減少了產品的制造成本，增強了產品的競爭力。

[參考文獻]

[1]丁兵，姜玲蓮，呂文閣，袁清珂.基于ANSYS的印刷機滾筒結構優化[J]. 機電工程技術.2009，38（10）：28-30.

[2]劉曉波，沈予洪.基于APDL語言的參數化建模技術[J].電腦學習.2005，3：45-46.

[3]涂秋艷，黨繼輝，溫瑞.基于ANSYS下的壓力機剪刃結構優化設計[J]. 機械工程師.2014，5：188-190.

[4]邢靜忠.ANSYS應用實例與分析[M].北京：科學出版社.2006.

[5]周長城，胡仁喜，熊文波.ANSYS11.0基礎與典型范例[M].北京：電子工業出版社.2007.