基于正交試驗設計的振動偏心塊結構優化設計

（閩南理工學院，福建 石獅 362700）

0 引言

混凝土砌塊成型機的振動系統主要由機架、振動發生器、振動載荷以及彈性元件構成。這些構件中振動器的工作原理就是離心力，利用偏心質量高速旋轉時所產生波形離心力，使得系統被迫振動，將能量傳導給新拌混凝土，使得混凝土充分“液化”，迅速變得緊密、密實，達到成型效果。振動器的振動頻率、振幅及離心加速度的大小都會影響到混凝土砌塊成型的效果，加入成型機物料材質的不同、大小的不同，需要對應不同的振動頻率和振幅，這需要多次試驗得出最佳的振動數據值。長期實踐經驗表明，垂直定向性的振動可以有效避免物料填充過程中的流動所產生的渦流，混凝土砌塊成型效率最高、質量最好，所以，混凝土砌塊生產廠家所采用的振動器，偏心軸一般都是相向旋轉的，這樣可以使得離心力水平方向的分量相互抵消，垂直分量疊加驅動系統作簡諧振動。

因此，偏心軸上的振動偏心塊結構設計就尤為重要，該零件的三維圖如圖1所示，零件材質為調質鋼40Cr，設計上結構優化的主要尺寸為：A—偏心塊外徑；B—偏心距；C—偏心塊厚度（如圖2所示）。該如何合理地確定改進后的尺寸呢？這是一個多因素的問題，因而可采用“正交試驗設計”。

圖1 偏心塊三維圖

圖2 偏心塊工程圖

試驗設計方法是英國農學家、遺傳學家、統計學家R.Fisher于20世紀20年代創立的，20世紀40年代末，日本的田口玄一提出了正交試驗設計，1978年我國的方開泰和王元又提出了均勻試驗設計方法。方開泰先生指出試驗設計方法本質上就是在試驗空間范圍內給出挑選代表點的方法。利用試驗設計方法的目的是用較少的試驗次數來獲得較多的信息量，以達到預測、控制和優化的目的。下面就利用正交試驗設計來尋求偏心塊零件改進設計的優化組合方案[1]。

1 零件改進設計優化參數試驗

1.1 試驗目的

分析圖2零件各主要尺寸對零件受力大小的影響程度，以達到優化設計參數的目的。

1.2 試驗條件

利用ANSYS軟件對零件的三維模型進行有限元模態分析，材料40Cr，單元類型10nodes187，彈性模量為2.06e+11N/m2，泊松比為0.29，質量密度為7820kg/m3。

1.3 試驗因素

1.3.1 可變因素

選用三個可變因素：偏心塊外徑A；偏心距B；偏心塊厚度C。

1.3.2 可變的水平數

每個因素分別取三個水平數。

1.3.3 實驗因素與水平

為了研究偏心塊外徑、偏心距、偏心塊厚度對振動及自身應力的影響，特安排了三因素三水平的正交試驗[2]。將試驗因素與水平列于表，水平尺寸的選取充分考慮到了零件在部件中的允許空間尺寸[3]。

表1 試驗因素與水平

2 正交試驗方案與試驗結果分析

2.1 正交試驗方案與試驗方法

選用L9（34）正交表進行試驗設計，這樣僅需要進行9次不同的計算，利用ANSYS軟件進行有限元模態分析求解，它的優點是結果準確可信，運算速度快[3]，試驗步驟如下：

（1）利用SolidWorks建立三維模型導入ANSYS進行模態分析；

（2）單元和常數設置，施加載荷、約束并劃分網格；

（3）定義邊界條件并求解。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 試驗結果

振動偏心塊試驗3模態分析前處理后三維模型圖（圖3所示），前十階固有頻率（表2所示），模態變形量圖（圖4所示）和Von mises應力分布圖（圖5所示）。

表2 振動偏心塊前十階固有頻率

圖3 前處理后三維模型

圖4 模態變形量圖

圖5 Von mises應力分布圖

9 次試驗前十階模態分析結果如表3所列。

表3 試驗結果

2.2.2 試驗結果分析

試驗結果采用正交設計助手分析得到前十階模態變形量結果分析（表4所示）和Von misesstress結果分析（表5所示）。

表4 前十階模態變形量結果分析

極差0.2580.0280.065偏差平方和0.194 0.1010.001 F比1.966 1.024 0.010 F臨界值 5.140 5.140 5.140

表5 Von mises stress結果分析

由表2-5和圖3-5可以得出下述結論：

（1）根據振動壓實理論，經驗顯示振動頻率在25Hz和名義振幅1mm時產生較好壓實效果[4]，從表2模態分析可知前三階固有頻率遠遠小于正常工作頻率，滿足振動工作要求，在高階產生較大變形。

（2）表3可知，第1次試驗可以取得較小的模態變形和Von mises應力的組合方案（A=142，B=15，C=145），模態變形量為0.511638，Von mises應力為42.6GPa。利用正交試驗方法，結果顯示試驗方案因素主次順序是A＞C＞B，而Von mises應力分析可以清晰描述出一種結果在整個模型中的變化，從而使分析人員可以快速的確定模型中的最危險區域[5]。正交試驗設計可以更好進行零件結構的優化設計。

4 結論

（1）研究出利用正交試驗設計方法與SolidWorks、ANSYS相結合進行慣性振動分析新方法。

（2）該方法實現三維建模、有限元分析和正交試驗設計的綜合，能較為準確地預測振動偏心塊固有頻率和振型，并對結構優化提供依據。

（3）該方法將振動系統分析時間降低在數小時內完成，解決了用傳統方法一般需要幾月甚至更長時間的問題。

（4）機械慣性振動具有隨機性，用有限元進行線性穩定性分析回答不了振動無限增大的限制因素，慣性振動的產生機理還需要做進一步的研究。