廖桂松，沈中華，曹衛(wèi)華，叢靜波，3

（1.桂林技師學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004；3.華僑大學(xué)，福建 泉州 362021）

目前，我國工業(yè)機械設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論偏于保守，設(shè)計者一般根據(jù)經(jīng)驗確定鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)，易造成機械設(shè)備設(shè)計階段所選取的安全因數(shù)過大，導(dǎo)致機械設(shè)備自身質(zhì)量過大，從而造成鋼結(jié)構(gòu)耗材增多和生產(chǎn)成本增大，提高了機械設(shè)備運輸及安裝難度[1-4]。

工程機械輪胎后充氣裝置是輪胎工業(yè)中常用的機械設(shè)備，是生產(chǎn)尼龍簾布輪胎不可缺少的裝置。由于工程機械輪胎后充氣裝置需要靈活布置在輪胎硫化機附近，且有時會根據(jù)工藝變化而改變位置，這就要求裝置自身質(zhì)量不能過大。

現(xiàn)有某公司生產(chǎn)的工程機械輪胎后充氣裝置機架（以下簡稱機架）由于設(shè)計的安全因數(shù)過大，結(jié)構(gòu)笨重，機架質(zhì)量在整機質(zhì)量中占比較大，故需要對機架進行輕量化設(shè)計。本工作采用三維建模軟件SolidWorks對機架進行參數(shù)化建模，并將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中對機架模型進行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[5]，從而使機架總體質(zhì)量減小。

1 有限元模型

1.1 三維模型

通過SolidWorks軟件對機架進行參數(shù)化建模。機架整體尺寸為1 889 mm×2 200 mm×1 200 mm，主要包括底座、立柱、橫梁、軸套安裝板、輪轂圓盤安裝板、加強板等構(gòu)件。其中，底座由槽鋼焊接構(gòu)成，立柱和橫梁均由矩形鋼管構(gòu)成，軸套安裝板、輪轂圓盤安裝板和加強板均由鋼板構(gòu)成。根據(jù)機架結(jié)構(gòu)特點以及計算效率和準(zhǔn)確性要求，機架參數(shù)化建模時忽略一些附屬部件、焊點和倒角等對機架整體力學(xué)性能影響較小的幾何組件，將機架看成一個剛性連接體[6]，其材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，材料參數(shù)如下：密度 7.85 Mg·m-3，彈性模量 210 GPa，泊松比 0.3，屈服極限（σs）235 MPa。機架三維模型如圖1所示。

圖1 機架三維模型Fig.1 Three-dimensional model of frame

1.2 有限元模型

將參數(shù)化的機架三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：網(wǎng)格相關(guān)度值 100，關(guān)聯(lián)性中心 細化，網(wǎng)格平滑度 高，過渡 慢速，跨度中心角 細化，網(wǎng)格最小尺寸 5 mm。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，對受力較大的邊界進行了網(wǎng)格（四面體網(wǎng)格）細分，模型共有884 521個節(jié)點，583 254個單元[7-8]。機架有限元模型如圖2所示。

驗證試驗過程如下：根據(jù)有限元靜力學(xué)分析結(jié)果，在應(yīng)變較大且易于測試的部位中選擇6個測量點，這6個測量點分布如圖4所示。

圖2 機架有限元模型Fig.2 Finite element model of frame

2 靜力學(xué)分析

2.1 負荷與約束處理

2.1.1 負荷

機架自身質(zhì)量通過設(shè)置材料屬性自動添加，其主要受力部件為左右兩端的立柱，當(dāng)輪胎充氣壓力達到設(shè)定值時，立柱壓力達到峰值（為137.2 kN），此時輪胎后充氣裝置達到滿載工況。左側(cè)立柱壓力通過限位裝置傳導(dǎo)，右側(cè)立柱壓力通過輪轂圓盤定位裝置傳導(dǎo)。右側(cè)輪轂圓盤安裝板上有4個螺栓孔，孔上主要承受輪轂圓盤（質(zhì)量為116.83 kg）和輪胎（質(zhì)量為200 kg）重力。

2.1.2 約束

對機架進行靜力學(xué)分析時，如果對結(jié)構(gòu)不能準(zhǔn)確施加約束，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部過剛或者計算不收斂，最終影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。由于本工作機架底座通過螺栓與地面連接，故將底座底面設(shè)置為固定約束。

2.2 結(jié)構(gòu)模型有限元分析

在滿載工況下，機架應(yīng)力和應(yīng)變分布見圖3。

圖3 機架應(yīng)力和應(yīng)變分布Fig.3 Stress and strain distributions of frame

從圖3可以看出：滿載工況下機架最大等效應(yīng)力（σmax）和最大等效應(yīng)變（εmax）均位于輪轂圓盤安裝板上的螺栓孔附近；機架結(jié)構(gòu)強度和剛度存在較大盈余。同時，滿載工況下機架最大位移（dmax）位于軸套安裝板附近。

3 試驗驗證

驗證試驗原理如下：測得機架上部分點的應(yīng)變并與有限元靜力學(xué)仿真的對應(yīng)應(yīng)變進行比對，以驗證機架有限元靜力學(xué)分析的正確性，為后續(xù)機架輕量化設(shè)計提供正確的有限元模型。驗證試驗工況與有限元靜力學(xué)分析工況一致。

施加到機架上的負荷主要是輪胎充氣后膨脹產(chǎn)生的壓力負荷，并且負荷最大位移方向垂直于立柱方向。為確保機架剛性和安全性，機架在工作過程中產(chǎn)生的dmax必須在安全范圍內(nèi)，故最大位移約束函數(shù)[dmax（x）]≤d（d為機架許用位移，本工作d為2 mm）。

在切削加工過程中，刀具的前后刀面及刃口會發(fā)生磨損，刀桿受力會發(fā)生變形。刀具的磨損和變形會對工件的加工精度、表面質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，有時會引起加工超差和廢品率上升。刀具磨損檢測傳統(tǒng)上采用離線方式檢測，不僅影響加工效率，還由于需要重新對刀容易引起接刀誤差。本文提出一種便攜式低成本的刀具磨損在位檢測方法，如圖10所示。

（3）政府監(jiān)管主要是將開展綠色生產(chǎn)模式的企業(yè)及金融機構(gòu)的利率優(yōu)惠程度作為監(jiān)管的出發(fā)點。政府監(jiān)管部門對金融機構(gòu)的監(jiān)管受企業(yè)開展綠色化生產(chǎn)模式技術(shù)創(chuàng)新資金缺口、非優(yōu)惠利率和優(yōu)惠利率的影響較大，而受自身監(jiān)管成本的影響較小。

圖4 6個測量點分布Fig.4 Distributions of six measurement points

對形狀優(yōu)化后的機架進行有限元靜力學(xué)分析，其應(yīng)力分布如圖6所示。

表1 6個測量點應(yīng)變測量結(jié)果與仿真結(jié)果的對比Tab.1 Comparison of test results and simulation results of strains of six measuring points

從表1可以看出，測量點5應(yīng)變測量值具有較大的誤差。造成這種現(xiàn)象的原因是：機架參數(shù)化建模時忽略了一些小部件和倒角等結(jié)構(gòu)組件；應(yīng)變計粘貼部位打磨不夠光整和清洗不夠干凈，其粘貼部位形態(tài)不能和仿真部位形態(tài)達到完全一致；外界信號干擾。通過上述分析，測量點5測量誤差屬于偶然誤差。

加熱對于農(nóng)藥的影響可能比數(shù)字顯示的更加復(fù)雜。比如說，有些農(nóng)藥在高溫下會分解，而分解的產(chǎn)物有些無毒，有些卻可能更具毒性。所以，在不清楚農(nóng)藥特性的前提下，通過烹飪前處理來去除果蔬上的農(nóng)藥殘留，無疑是更好的方案。

從表1還可以看出，各測量點應(yīng)變測量值與仿真值基本一致，達到工程精度的要求。因此，機架有限元模型設(shè)置合理，可以用于后續(xù)機架輕量化設(shè)計。

4.2.2 約束函數(shù)確定

4 機架輕量化設(shè)計

為減小機架整體質(zhì)量，減少結(jié)構(gòu)耗材，降低運輸及安裝難度，根據(jù)前述分析結(jié)果，先后采用形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化對機架進行輕量化設(shè)計[10]，再進行結(jié)構(gòu)改進。

4.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化的目標(biāo)是使用拓撲優(yōu)化技術(shù)顯示可能發(fā)生體積減小的區(qū)域，拓撲優(yōu)化的設(shè)計思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)轉(zhuǎn)變?yōu)樵谶x定區(qū)域內(nèi)尋求形狀和材料的分布最優(yōu)。拓撲優(yōu)化主要應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計初期階段或?qū)ΜF(xiàn)有產(chǎn)品進行輕量化設(shè)計[11-14]。

4.2.3 結(jié)果分析

圖5 機架形狀優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Shape optimization result of frame

從圖5可以看出：機架的紅色區(qū)域可以移除，去除該部分材料對整個機架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較小；機架的灰色區(qū)域不可移除。考慮到機架功能和實際裝配，一些紅色區(qū)域無法移除，比如機架形狀優(yōu)化結(jié)果顯示其底座部分整體應(yīng)力較小，大部分可以去除，但為了避免對底座進行材料去除后導(dǎo)致底座過輕而產(chǎn)生頭重腳輕的現(xiàn)象，決定不對底座進行材料去除。因此，結(jié)合機架形狀優(yōu)化結(jié)果，對機架的橫梁和加強板進行部分材料去除設(shè)計，優(yōu)化后機架橫梁使用H型鋼。

使用電阻應(yīng)變計，選擇全橋接電路連接方法，應(yīng)用NI PXIe4330數(shù)據(jù)采集板與Labview軟件，在滿載工況下進行應(yīng)變測量和數(shù)據(jù)采集[9]。各測量點應(yīng)變測量結(jié)果與仿真結(jié)果的對比見表1。

從圖6可以看出，形狀優(yōu)化后機架σmax為125.54 MPa，比優(yōu)化前略有增大，但不超過許用的應(yīng)力范圍。同時，形狀優(yōu)化使機架質(zhì)量從997.89 kg減小到923.73 kg，減小了74.16 kg。因此，通過形狀優(yōu)化，實現(xiàn)了機架輕量化。

圖6 形狀優(yōu)化后機架應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of frame after shape optimization

從圖6還可以看出，機架大部分區(qū)域強度仍然具有較大的余量，故可以進一步對機架進行輕量化設(shè)計。

4.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化即在滿足機架強度和剛度的前提下，通過對機架上某些構(gòu)件尺寸進行優(yōu)化，獲得機架輕量化的設(shè)計方案。在上述分析的基礎(chǔ)上，本工作采用ANSYS Workbench軟件中的Design Exploration優(yōu)化工具（目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化）對機架進行尺寸優(yōu)化設(shè)計[15]。

第四、表1中學(xué)生座談會所反映的問題以及教師在平常工作中一些消極行為表現(xiàn)，在日常的教學(xué)管理中常常會受到人情世故的影響，即行政領(lǐng)導(dǎo)不好拿捏處理的分寸，這種現(xiàn)象在教育活動和教育生活中是有現(xiàn)實意義的——因為教育本身是必須講感情的，沒有感情而教育，則毫無效果可言。但若在實際工作中這種情況被不了了之，就會讓群體的影響走向負面。因此，建議此項實行隱性處理，比如減分并記次數(shù)制等。

4.2.1 輸入與輸出參數(shù)確定

機架結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由實際工藝動作確定，相比較而言，立柱矩形鋼管厚度可選擇的空間比較大，因此選擇4根立柱矩形鋼管厚度（xi，i＝1—4）作為輸入?yún)?shù)[6]。根據(jù)市場上所使用的鋼管規(guī)格，將xi規(guī)定在一定范圍（5 mm≤xi≤10 mm）內(nèi)。

研究了發(fā)酵原油的氨基酸組成，根據(jù)不同氨基酸的呈味特性和呈味強度對新菌株進行了氨基酸呈味方面的對比分析，結(jié)果見下表；對發(fā)酵原油進行了感官鑒評，結(jié)果見圖5。

①落實管護人員，明確管護責(zé)任。北京市政府印發(fā)了《關(guān)于建立本市農(nóng)村水務(wù)建設(shè)與管理機制意見的通知》。全市成立3927個農(nóng)民用水協(xié)會，政府通過購買服務(wù)的方式 （每人每月500元補助）組建了10800名農(nóng)民管水員隊伍，負責(zé)農(nóng)村水土保持、機井管理、用水計量、水資源費征收、河道管護等工作，實現(xiàn)了源頭管理。北京市政府建立了水源涵養(yǎng)林管護機制，出臺了山區(qū)移民搬遷政策 （每人每月400元補助）組建了4萬多名生態(tài)林管護員隊伍，使全市61萬hm2水源涵養(yǎng)林實現(xiàn)了管護全覆蓋。

由于尺寸優(yōu)化目的是使機架質(zhì)量減小，達到輕量化的效果，因此將形狀優(yōu)化后的機架模型質(zhì)量進行參數(shù)化，并將其設(shè)置為輸出參數(shù)[F（x）min，F(xiàn)（x）為機架質(zhì)量][16]。為了可以在后續(xù)優(yōu)化中選擇機架σmax與dmax為約束條件，將形狀優(yōu)化后機架的σmax與dmax設(shè)置為輸出參數(shù)。

根據(jù)給定訓(xùn)練樣本：{x1，x2,x3,……，x56}，xi∈Rn，確定m個聚類中心點，分別為μ1，μ2，μ3，……，μm∈Rn，計算每一個樣本xi所屬類別Ci，即樣本到類別中心歐式距離最小的類別，公式如下:

機架在輕量化設(shè)計后應(yīng)滿足一定的強度和剛度要求。本工作中，機架材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，其許用應(yīng)力為σs，機架工作過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力約束函數(shù)[σmax（x）]≤σs。

學(xué)校應(yīng)該建立科學(xué)、公正、公開的教學(xué)督導(dǎo)評價系統(tǒng)，使廣大教師不斷提升教育教學(xué)能力。通過教學(xué)督導(dǎo)，學(xué)校可以了解每位教師的教學(xué)過程和教學(xué)效果，及時發(fā)現(xiàn)教師在教學(xué)過程中存在的不足，幫助其總結(jié)經(jīng)驗，進而提高教學(xué)水平。建立科學(xué)的評價體系，如以學(xué)生為主體、以項目為載體、以能力為目標(biāo)等，對提高教師教學(xué)水平有積極的引導(dǎo)和促進作用。

將經(jīng)試驗驗證的機架有限元模型導(dǎo)入到ANSYS Worbench軟件的形狀優(yōu)化模塊，在滿載工況下優(yōu)化機架形狀。在優(yōu)化設(shè)計過程中應(yīng)用于模型的負荷和邊界條件與靜力分析相同。根據(jù)機架質(zhì)量減小的要求，目標(biāo)參數(shù)值設(shè)定為質(zhì)量減小30%，機架形狀優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

通過對參數(shù)和約束條件的設(shè)置，對形狀優(yōu)化后的機架模型進行分析，得到3組參考點，選擇最優(yōu)參考點，并根據(jù)市場上的鋼管規(guī)格將其厚度取整。尺寸優(yōu)化前后機架各變量對比值如表2所示。尺寸優(yōu)化后機架應(yīng)力分布和總體形變情況分別如圖7和8所示。

從表2和圖7—8可以看出：相比于形狀優(yōu)化后，尺寸優(yōu)化后機架質(zhì)量又減小了230.85 kg；滿載工況下機架σmax和dmax均在許用范圍內(nèi)，且仍存在一定余量。

表2 尺寸優(yōu)化前后機架各變量對比值Tab.2 Contrast values of variables of frame before and after size optimization

圖7 尺寸優(yōu)化后機架的應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of frame after size optimization

圖8 尺寸優(yōu)化后機架的總體形變Fig.8 Total deformation of frame after size optimization

4.3 結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)尺寸優(yōu)化后機架模型的有限元靜力學(xué)分析，在輪轂圓盤安裝板上的螺栓孔附近發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。大量的疲勞試驗研究[17]表明，疲勞損傷可能發(fā)生在機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位。因此，為了避免這種現(xiàn)象，改進了機架模型結(jié)構(gòu)，在輪轂圓盤安裝板后，在3號和4號立柱內(nèi)焊接壁厚為5 mm的槽鋼。結(jié)構(gòu)改進后機架的三維模型剖面如圖9所示，應(yīng)力分布如圖10所示。

佛山海事局南海九江海事處副處長周龍騰表示，渡船的安全監(jiān)管一直是海事監(jiān)管的重中之重。幾年來，佛山政府在不斷加大渡船更新改造的同時，我們海事部門也一直不斷地在優(yōu)化監(jiān)管模式，在提升監(jiān)管效能上下功夫。很榮幸，海壽渡口能夠作為樣本渡口來接待來自東盟多國的專家代表參觀交流。區(qū)域非公約船舶安全管理培訓(xùn)為我們交流渡船安全管理提供了平臺，這將進一步凝聚合作共識，共同推進中國和周邊國家在非公約船舶領(lǐng)域的合作。

再次，確定各個指標(biāo)的權(quán)重。本文采用客觀賦權(quán)法標(biāo)準(zhǔn)差法，即某指標(biāo)下指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)差越大，則表明該指標(biāo)下各個測評對象之間的差異越大，賦予的權(quán)重也越大。在指標(biāo)cj下的標(biāo)準(zhǔn)差為Sj。將各個指標(biāo)的權(quán)重與無量綱化值相乘，有確定正負理想點，即正理想點為每列最大值形成的向量，u+=（maxui1，…，maxui8），負理想點是每列最小值形成的向量，u-=（maxui1，…，maxui8）。于是，各個測評對象與正負理想點的距離可以表示為：與正理想點的距離=sqr［∑（uij-maxuij）2］，與負理想點的距離sqr［∑（uij-maxuij）2］。每個測評對象的相對貼近度為

圖9 結(jié)構(gòu)改進后機架的三維模型剖面示意