基于ANSYS的金屬擠壓機結構優化設計

江道銀，張莉

（合肥通用機械研究院；合肥通用職業技術學院，安徽合肥 230031）

基于ANSYS的金屬擠壓機結構優化設計

江道銀，張莉

（合肥通用機械研究院；合肥通用職業技術學院，安徽合肥 230031）

大型金屬擠壓機是國民經濟的一種基礎設備，其運用已延伸各個領域.本文以結構優化設計理論為基礎，建立前梁的優化設計模型，利用ANSYS有限元分析軟件結合MATLAB中遺傳優化函數實現對金屬擠壓機前梁的優化設計，求解出最佳結果.

結構優化；擠壓機；ANSYS；遺傳算法

1 緒言

金屬擠壓機是實現金屬擠壓加工的最主要設備，其利用金屬塑性壓力成形的重要特點，將金屬錠坯一次加工成管、棒、型材，現代鐵路、飛機、艦船快艇等各個領域所使用的骨干材料，幾乎都與擠壓加工密切相關.傳統設計過程中，設計員往往優先考慮安全，優先選擇保守的安全系數，設計的結構笨重，造成材料的極大浪費，經濟成本高昂.因此采用現代優化設計理論方法，對擠壓機的進行參數化建模、有限元分析和結構優化設計，成為主要設計方法,本文在滿足前梁結構要求的前提下通過優化設計獲得前梁結構重量最小的目標.

2 金屬擠壓機的結構

臥式擠壓機由擠壓機本體、液壓傳動與控制系統、機械化設備、擠壓機自動檢測與控制裝置和電氣控制系統等組成.擠壓機本體由組合框架、主工作缸、側缸、擠壓梁裝置、擠壓筒裝置、擠壓筒鎖緊缸、移動模架裝置、快換模裝置、下導向架裝置等部件構成［1］.

圖1 臥式擠壓機的本體結構

擠壓機本體的受力框架由整體式前梁和后梁、圓柱拉桿和拉桿螺母、方形壓套（焊接結構）組成一個封閉的預應力組合框架.本文研究的是60MN的臥式擠壓機，采用臥式三梁四柱外置穿孔系統結構，在前、后梁之間加上圓柱形承壓構件，構成預緊力結構.

3 結構優化設計理論基礎

3.1 結構優化設計步驟

現代的優化設計采用計算機技術實現自動設計，設計步驟通常分為確定優化目標、建立優化設計數學模型、選擇優化方法、優化程序的編寫、優化求解和結果評價五個步驟［2］.工程結構的設計問題轉化為全面、準確的數學問題是優化設計的核心，能否建立合理、有效的數學模型對優化設計起到至關重要.

3.2 優化設計數學模型

優化設計問題通常包括一個優化目標函數和多個約束條件，在滿足約束條件的前提下，調整設計變量X，最終確定目標函數f（X）的最小值或者最大值，數學模型表達形式如下：

目標函數：

滿足于不等式約束條件：

滿足于等式約束條件：

滿足自變量約束條件：

3.3 遺傳算法

遺傳算法（Genetic Algorithm）是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳的規律演化而來的隨機化搜索方法，它模擬自然選擇和自然遺傳過程中發生的繁殖、交叉和基因突變現象，在每次迭代中都保留一組候選解，并按照某種指標從解群中選取較優的個體，利用遺傳算子對這些個體進行組合，產生新一代的候選解群，重復實現優勝劣汰的進化過程，直到滿足某種收斂指標，逼進最優解為止［2］.這種啟發式算法具有更好的全局尋優能力，通常用來生成有用的解決方案來優化和搜索問題.

4 基于遺傳算法的前梁結構優化設計

本文結合ANSYS有限元軟件，運用MATLAB軟件遺傳算法對金屬擠壓機前梁進行優化.

4.1 設計變量的選取

擠壓機前梁優化設計的目標在滿足強度求得最小重量的前梁結構，因前梁結構設計參數較多，根據需要，選定7個設計變量，用矩陣表示為X= ［X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7］，如式5所示.

4.2 約束條件

為達到前梁結構重量最小的目標，以結構設計參數設置為約束條件，根據經驗，7個設計變量的取值范圍如表1所示.

表1 設計變量取值范圍（m）

4.3 建立適應度函數文件

將前梁重量作為目標函數，建立適應度函數.

4.4 建立約束矩陣

前梁的長度L≤7、寬度W≤6和厚度H≤7構成線性不等式約束，建立約束矩陣，可得到：

4.5 求解

經過迭代得到最優解為：

最佳適應度值為：f（X）=483.1036.

表2 優化結果對照表

5 優化結果

經過計算機優化設計，擠壓機前梁結構的質量較優化前下降了20%，從603.75T下降到483.1T（表2），提高了材料的利用率；工作時最大應力值從50.8MPa下降到49.6MPa，工作時最大位移量從0.01778mm下降到0.00198mm，通過ANSYS有限元優化前后分析云圖（圖2～圖5）對比，優化以后的前梁應力分布更加均勻.

圖2 優化前工作應力云圖

圖3 優化后工作應力云圖

圖4 優化前工作位移云圖

圖5 優化后工作位移云圖

6 小結

本文選擇金屬擠壓機前梁結構作為優化目標，在滿足結構強度的前提下建立數學模型，采用遺傳算法進行優化，并運用ANSYS軟件進行有限元分析，通過優化前后對比，優化后前梁應力質量減輕了20%，提高了材料的利用率，應力分布更均勻，結果表明這種方法是可行的.

〔1〕肖剛，蕭今聲.我國的鋁擠壓材與鋁擠壓機［J］.輕金屬加工技術，2010（9）：1-4.

〔2〕李敏.大型擠壓機結構優化設計［D］.燕山大學，2012.

〔3〕李紅芳.混沌遺傳算法與結構優化設計［D］.天津：天津大學，2004.6-7.

〔4〕馮錦春，楊林建.利用遺傳算法進行機械優化［J］.四川工程職業技術學院學報，2007（6）：72-74.

〔5〕張朝暉.Ansys12.0結構分析工程應用實例解析［M］.北京：機械工業出版社，2010.524-526.

TH12

A

1673-260X（2015）05-0185-02