斗輪堆取料機斗輪體結構分析及優化設計

孟凡成　于海龍

摘要：為了保障斗輪堆取料機斗輪體系結構的進一步優化，本次研究主要借助于ANSYS參數化形式的設計語言APDL來進行某種類型斗輪堆取料機斗輪體結構模型的建立，并借助于有限元分析的方式來對其進行優化。希望通過本次的分析，可以為斗輪體結構的進一步優化提供相應參考。

關鍵詞：斗輪堆取料機;斗輪體結構;有限元分析;結構分析

在目前的集散料處理中，斗輪堆取料機是最大的成套設備，該設備在港口碼頭、火電廠、礦山和鋼鐵廠等的散料輸送中發揮著至關重要的作用。隨著當今各個領域的發展，斗輪堆取料機也開始朝著大型化、系列化以及自動化的方向發展。在此過程中，其斗輪體結構的分析與優化也就受到了各個領域的高度重視。

一、將APDL作為基礎對斗輪體進行有限元分析

（一）建立參數化模型

在進行斗輪體的優化設計之前，首先應該借助于ANSYS參數化形式的設計語言APDL中所具備的參數化功能來進行斗輪體參數化有限元模型的建立。因為斗輪體有著不規則的形狀和比較復雜的結構，所以在進行參數化模型的建立過程中，為保障建模的簡單化，就需要對其局部的結構做出相應的簡化處理，也就是將一些不會對整體造成很大影響的特征簡化[1]。在具體的建模過程中，主要用來進行有限元分析以及斗輪體結構優化的基本參數有三個，其一是DQL1，其二是DQL3，其三是OQL5，下表是這三個基本參數的初始值：（見表1）

在輸入完初始參數后，就可以通過該程序進行模型建立。因為斗輪體屬于一種薄壁結構，所以在建模過程中僅僅選擇實體單元或者是殼單元即可，但相比之下，如果選擇殼單元來對其進行結構分析以及優化設計，其運算量將會更少一些。且在進行彎矩計算時，實體單環的厚度單元層數量也比較少，這就會加大計算結果的誤差。因此在本次建模分析中，就將shell281這一殼單元用來進行殼體模型建立，將其厚度定義為0.01m。本次模型建立所選擇的材料是Q235B，下表是本次設其相關屬性定義：（見表2）

（二）網格劃分

在進行有限元模型的建立過程中，一個重要的環節就是劃分網格。網格劃分質量將會對模型計算精度產生直接影響，過低的質量甚至會導致計算中斷。本次設計中，出于對結構具體復雜程度以及實際有限元分析需求的考慮，通過自有劃分法將斗輪體的參數化模型按照16398個單元進行劃分。

（三）加載和約束的建立

因為斗輪堆取料機的工作具有連續性，也就是說，在具體的工作中，該機械將會長時間處在連續轉動狀態，但是因為其轉速很低，所以斗輪體受到的荷載可以看做是靜荷載。因此在斗輪體設計過程中，需要進行集中載荷和自由度約束的施加。本次設計中，將三個方向的旋轉和位移約束施加在了斗輪體模型中心，這樣就是其整體結構的自由度保持為零，將所有的輪圈表面和立柱表面都進行200N集中荷載的施加，然后通過SOLVE命令的執行來進行計算求解。

（四）模型的后處理

經過計算求解之后，就可以得出一個斗輪體的應力云圖，本次研究中的斗輪體模型最大Von Mises應力是94MPa，該應力處在斗輪體輪輻靠近輪毅的位置。因為本次選擇的材料Q235B的允許應力是157MPa。所以，按照第四強度理論，并綜合考慮其安全系數，本次所設計的斗輪體不僅可以有效滿足相應的強度需求，且余量很大[2]?；谶@一情況，在具體設計中，就可以通過減輕自重的方式來實現材料節約，并有效提升斗輪體生產制作的經濟性。

二、將APDL作為基礎對斗輪體進行優化設計

（一）數學模型的建立

在對斗輪體進行優化設計的過程中，數學模型的建立主要在特定約束條件下進行設計變量的合理選取，以此來實現目標函數值的做大化或者是最小化。在本次優化設計中，主要的設計變量選擇有三個，其一是DQL1，其二是DQL3，其三是DQL5，下表是對其初始值以及取值范圍的歸納：（見表3）

優化設計中，為了讓斗輪體實現輕量化，應該將優化設計目標函數定義為斗輪體總質量，但是因為其整體結構是由同種鋼材焊接而形成，有著均勻的密度，所以在具體的優化設計中，目標函數就確定為其總體積VOLUM。另外，在設計中，需要將其最大的Von Mises應力SMAX選作狀態變量，以此來保障強度需求的滿足，以下是本次優化設計的具體數學模型：

設計變量：x=[DQL1，DQL3，DQL5]

目標函數：min f（x）=minVOLUM（x）

約束條件：s，t.σ≤|σ|

（二）優化方案的合理選擇

以APDL為基礎的優化方法主要有兩種，其一是零階優化法，其二是一階優化法。在具體的優化設計中，最常用的是零階優化法，該方法是借助于狀態變量以及目標函數的逼近來實現工程問題的有效處理，其主要的方法有隨機法、單步運行法、子問題法和最優梯度法等。一階方法是對偏導數的應用，也就是通過狀態變量以及目標函數的一階偏導數逼近法來進行問題解決，該方法有著很高的精度，在狀態變量以及目標函數有著較大變化且設計空間較大的情況下十分適用[3]。

本次優化設計所應用的是零階法理的子問題法，通過該方法可以對設計變量、目標函數以及狀態變量進行整體評估，然后借助于小二乘法進行逼近值的取代擬合，讓約束最小化問題實現到罰函數無約束問題的轉變。以下是本次斗輪體結構優化設計的前后參數對比：（見表4）

從表4可以看出，本次優化設計在保障各項標準滿足實際應用需求的基礎上，斗輪體體積較原來減少了6.54%，結構輕量化目標得以有效實現。

三、結語

綜上，在對斗輪堆取料機的斗輪體結構進行優化設計的過程中，需要通過合理的參數模型建立、數學模型建立等來進行優化處理。以此來保障斗輪體結構的合理優化，在保障其實際應用需求的基礎上實現整體結構的輕量化。這對于斗輪體生產經濟效益的提升和應用效果的提升都十分有利。

參考文獻：

[1]張瑋強.斗輪機輪斗軸斷裂成因分析及處理[J].科學與財富，2020（5）：87.

[2]馬振華.火電廠輸煤斗輪機的檢修與維護[J].電力系統裝備，2019（23）：118-119.

[3]王喜龍.懸臂斗輪堆取料機斗輪機構驅動系統改進研究[J].中國設備工程，2019（22）：48-50.