ANSYS在液压支架优化设计中的应用.pdf

机 械 设 计 与 制 造 一1 7 0一 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 6期 2 0 0 7年 6月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 0 7 0 6 0 1 7 0 0 3 AN S Y S在液压支架优化设计 中的应用术 何文斌李菊丽 李立伟 郑州轻工业学院， 郑州 4 5 0 0 0 2 Ap p l i c a t i o n o f ANSYS o n d e s i g n op t i mi z a t i o n o f h y d r a u l i c p o we r e d s u p p or t H E We n b i n ， L I J u l i ， L I L i w e i Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y o f L i g h t I n d u s t ry， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2 ， C h i n a 【 摘要】 基于A NS Y S平台对液压支架顶梁进行参数化建模， 针对顶梁扭转工况进行了有限元 数值模拟， 进一步利用A N S Y S 的优化功能， 对顶梁截面参数进行优化， 完成了顶梁的减重设计， 优 化方案较原设计方案最大等效应力降低 6 ． 5 ％， 重量减 少 1 1 ％， 减重效果十分显著 ， 为液压支架和类 似结构优化设计提供 了有益参考。 关键词 有限元 ； A N S Y S； 优化设计 ； 液压支架 【 A b s t r a c t 】 T h e p a p e r a i m s t o b u i l d t h e F E M m o d e l f o r r o oft i m b e r s u p p o r t e d b y h y d r a u l ic p o w e r p a r a m e t r i c a l l y , b a s e d o n A N S Y S ． t o p e rf o r m n u m e r i c a l s i mu l ati o n u n d e r t h e c o n d i t i o n of t h e r o of t i mb e r i n t o r t i o n , f u r t h e r mo r e t o o p t i mi z e t h e t r a n s e c t p a r a m e t e r s a n d a c h i e v e t h e w e i g h t r e d u c t i o n d e s i g n of r o of t i m b e r b y u s i n g t h e apt i m i z a t i o n f u n c t i o n of A N S Y S ． C o m p a r e d t o t h e o r i g i n a l s e t , t h e o p t i mi z e d o n e d r a m a t i c all y r e d u c e s 6 ． 5 ％ i n V o n Mi s e s s t r e s s a n d 1 1 ％ i n w e i g h t , w h i c h o f f e r s a u s e f u l r e f e r e n c e t o d e s i gn o p t i m i z ati o n oft h e h y d r aul i c p o w e r e d s u p p o r t a n d s i mi l ar s t r u c t u r al o p t i mi z ati o n ． Ke y wo r d s F EM ； ANS YS； De s i g n o p t i mi z a t i o n； Hy d r a u l i c p o we r e d s u p p o r t 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 1文献标识码 A 1 前言 优化设计是现代设计方法的重要内容之一 ， 它是一种寻找 和确定最优设计方案的技术， 所谓“ 最优设计” ， 是指设计方案在 满足所有设计要求的前提下， 使得所优化的目标 如 重量、 面 积、 体积、 费用等 最小。优化设计是以数学规划为理论基础， 以 计算机为工具来进行的。近年来 ， 随着有限元法、 可靠性设计 、 C A D理论的发展与优化方法的结合使用， 工程设计逐步在向自 动化、 集成化、 智能化方向发展。 液压支架是现代化煤矿进行高效综采和安全生产最为关 键的设备之一。支架的设计优化按其 目标函数不同可分为 ～、 在保持材料消耗量不超过某～限定值的前提下使最大应力达到 最小 ， 即应力优化； 二、 保证结构件一定的可靠度前提下， 使重量 达到最小 ， 即重量优化 ； 三、 重量不超过一定值时， 使可靠度最 大 ， 即可靠性优化。 由于液压支架重量过大会给井下运输、 安装 、 搬家带来很 多困难， 且材料消耗费用也是支架成本的主要构成部分， 所以选 择其重量作为优化目标具有很实际的意义。 基于 A N S Y S平台， 以 Z F S 6 2 0 0 ／ 1 8 ／ 3 5支架顶粱为例 ， 在外 形和连接尺寸一定的前提下， 对顶梁截面尺寸进行优化， 即通过 调整梁体顶板、 盖板及主筋板分布位置与厚度 ， 改善应力分布， 进行重量优化， 达到减重目的。 该方法可以推广到其它类似工程结构的优化设计中去。 2 A N S Y S 优化分析简介 在 AN S Y S 优化中， 设计变量、 状态变量 、 目标函数统称为 优化变量， 其中设计变量为自变量， 总数≤6 0 ； 状态变量是约束 设计的数值 ， 是设计变量的函数 ， 可以是应力、 应变或是位移等， ★ 来稿 日 期 2 0 0 6 1 0 0 7★河南省科技攻关项目 0 5 2 4 2 6 0 0 1 1 资助 在工程设计中通常会有上、 下限的限制 ， 总数≤1 0 0 ； 目标函数是 优化设计中要尽量减小的值 ， 它是设计变量的函数 ， 在 A N S Y S 中只能设定一个， 即单 目标优化。 分析文件是 AN S Y S 优化分析的关键，它包括一个完整的 分析过程 含前处理 、 分析、 后处理 ， 需注意， 前处理中所建模型 必须是参数化模型， 用户还需对三类优化变量进行定义。 A N S Y S 通过分析文件来构造优化循环文件 J o b n a me ． L O O P ， 进行循环 分析， 每执行一次分析文件， 便完成了一次循环， 最后一次循环 输出存储在 J o b n a me ． O P O中。 优化数据库记录当前优化环境 ， 包括优化变量定义， 优化 设定， 设计序列集合等， 它存储在文件 J o b n a me ． O P T中， 可根据 需要读人优化处理器中。A N S Y S 优化分析数据流向见图 l。 图 1 A N S Y S 优化分析数据流向 F i g ． 1 ANS YS o p t i mi z a t i o n d a t a fl o w 维普资讯 第 6期 何文斌等 ANS YS在液压 支架优化设计 中的应用 一 1 7 1 3 顶梁的优化分析 3 ． 1顶梁分 析文件生成 分析文件生成是 A N S Y S 优化设计的关键 ，它由参数化建 立有限元模型， 求解分析， 后处理这样一个完整的有限元分析过 程构成 。 3 ． 1 ． 1 顶梁参数化有限元建模 支架顶梁是一个多腔室薄壁箱形结构 ， 由顶板 、 主筋板、 盖 板 、 横筋板等组合、 封闭而成 。建模时， 将无关大局的结构如阀 板、 管卡等进行简化、 省略处理。 采用命令流方式在 A N S Y S前处理 P R E P 7环境下对顶梁 进行参数化建模，顶梁横截面如图 2所示，将顶梁各主筋板厚 度、 盖板厚度、 主筋间距做为设计变量 ． 。 图 2 顶梁 横截面 F i g ． 2 Tr a n s e c t o f r o o f t i mb e r 顶梁箱形结构采用平面和曲面造型， 顶板 、 底板与主筋 、 横 筋之间的焊接关系通过面粘结及面重叠等布尔运算来进行。 板件厚度方向尺寸与长宽方向尺寸相比小得多 ， 一般小于 1 1 0 。 承载时， 除在其平面内受拉压外 ， 还承受弯扭作用， 采用平 板壳元 S H E L L 6 3 来模拟 ， 它是四节点三维弹性壳单元 ， 每节点 有 6 个 自由度。 采用自由划分网格法 ， E S I Z E 5 0 。网格划分结果见图3 ， 顶 梁共有 9 2 7 1 个节点， 形成 1 0 3 9 1 个单元。 图 3顶梁有限兀模型 F i g ． 3 FEM mo d e l o f roo f t i mbe r 有限元分析中， 边界条件的处理对分析结果有着举足轻重 的影响，边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结 果的正确性、 合理陛。 根据经验， 顶梁受扭或偏载是其损坏的主要原因， 依据液 压支架通用技术条件 ， 选取顶梁扭转 图4 来考核顶梁强度。 该 工况下顶梁垫块处按位移边界条件处理， 限制三个平移 自由度， 由于顶梁后部垫块弱化了掩护梁对顶梁的反作用，故顶梁与掩 护梁连接处可按悬空处理。 加载方式为立柱内加载 ， 按 1 ． 2倍额定工作压力对顶梁柱 窝球面进行等效加载。 二 一 、 、～ ／ ． ／ -． 二 C， C、 图 4顶梁扭转工况 F i g ． 4 Co n d i t i o n o f r o o f t i mb e r i n t o r t i o n 3 ． 1 ． 2求解 求解过程主要有定义分析类型和分析选项 ，施加载荷， 指 定载荷步， 完成有限元计算。 ， S 0L U AN T YP E ， S T A T I C 静力结构分析 NS E L ， S ， L OC ，X， 2 8 9 0 ， 3 0 4 0 1 选择集 选择节点 NS EL ， R， L OC，Y， 0 ， 0 NS EL ， R， LOC， Z ， 8 8 0 ， 1 3 4 0 D ， A L L ， U X ， 施加位移约束 D，AL L， UY， D， ALL ， UZ， S O L V E 求解 F I NI S H 退 出求解模块 3 ． 1 ． 3 提 取并指定状 态变量和 目标 函数 在 P O S T 1 下提取计算结果并赋给相应的参数， 这里， 状态 变量为节点等效应力 S E Q V的最大值 ，目标函数为顶梁重量或 体积。 ／ P OS T1 S E T ． L AS T 读入最后数据 ／ GRAP HI CS，FUL L ET ABLE，VOLU， VOL U P RN S O L ，S ．P R I N 列节点应力列表 N S O R T ， S ， E Q V 等效应力排序 * G E T ，S T R S ， S O R T ， ， M A X 提取最大值 ALL S EL ， AL L S S UM * G E T ，T O V L ， S S U M， ， I T E M，V O L U 求体积和 * S T AT U S 列 出参数表 LGW RI TE， t i mb e r ， l g w， ，COMMENT 将数据库中程序流写入到 t o y 4 ．1 g w文件中， 生成分析文件 FI NI S H 3 ． 2进入优化处理器 OP T， 指定 分析文件 首次进入 O P T处理器 ， A N S Y S数据库中所有参数初始值 维普资讯 一 1 7 2 - 机 械 设 计 与 制 造 NO． 6 J u n ． 2 0 0 7 自动构成设计序列 1 。在 G U I 交互方式下，必须指定分析文件 名， 用于生成优化循环文件 J o b n a me ． L O O P ， 批处理可不必指定。 ／ OP T O P AN L ， t i m b e r ， l g w， 指定分析文件名 3 ． 3 优化变量的声明 O P V AR ， T O V L ， OB J 声明 目标函数 O P V AR ， S T R S ，S V， ， 5 0 0 1 声 明状态变量 OP VAR， T _Ri b 1一t ， D V ， 6 ， 3 0 ， 声明设计变量 OP VAR，T _Ri b 2 _t ， D V ， 1 0 ， 5 0 ， x l x 7 的范围 3 ． 4选择优化方法及 工具 ， 设定循环控制方式 A N S YS 提供的优化方法有两种 零阶法和一阶法。零阶法 又称直接法 ， 它对所有因变量 目标函数、 状态变量 进行逼近 ， 是一种完善的处理方法 ， 可有效处理大多数 程问题 ； 一阶法又 称间接法， 它使用对设计变量的一阶偏导数， 是基于因变量对设 计变量的敏感度分析来进行的， 它适合于高精度分析 ， 缺点是当 因变量变化大， 设计空间也相对较大时， 消耗机时多。 零阶法和一阶法配合使用， 可较陕地达到较高的精度。此外， A NS Y S 允许用户提供外部的优化算法来替代本身的优化算法。 A N S Y S提供多种优化工具用于设计空间的搜索和处理 ， 如随机搜索法、 等步长搜索法、 乘子算法、 最优梯度法等。 每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数 ， 如迭代总 次数， 比例因子等 ， 这些在优化前需设定。 O P T Y P E ，S UB P 选择零阶法 O P S U B P ， 3 0 ， 7 1 设定 迭代次数 和不合 理次数 O P P R N T ， O N 激活详细的结果输 出 O P E X E 进行优化分析 3 ． 5进行优化分析 执行 O P E X E ， 优化数据文件 J o b n a me ． O P T会根据分析文件 生成 ， 当循环满足以下三种隋况之一时终止 收敛、 中断、 分析完 成。在循环中， 若模型有问题 如网格划分错误 、 求解不收敛 造 成中断， 优化处理器将跳过进行下一次循环， 所有的变量和参数 在迭代完成后将存储在优化数据文件 J o b n a me ． O PT 中，最多可 以存储 1 3 0组设计序列。 不同的优化方法或工具可以组合使用 ， 比如 在零阶法分析结束后还可进一步做等步长搜索， 或先进行 随机搜索再用零阶法等。 3 ． 6查看结果 优化循环结束后 ， 可列出参数表 ， 画出参数随序列号变化 的曲线图。还可以在 P O S T 1 下查看分析结果 ， 最后一个序列结 果在 J o b n a me ． R S T中， 最佳结果在 J o b n a m e ． B R S T中， 最佳数据 库在 J o b n a me ． B D B中。 O P L I S T ， A L L ， ， 1 1 列出所有参数值 ／ AXLAB． Y． VOL UME TVOI P L V A R O P T ， T O V L 绘体积和曲线 X L AB ， Y ， S E Q V P L V A R O P T ， S T R S 绘等效应力曲线 F I NI s H 4优化分析结果 经过 2 6次迭代， 得到最优设计序列 S e t 1 9 ， 和优化设计 序列的参数列表 略 。图5和图6分别是各设计序列的等效应 力曲线 S e t S T R S曲线 及体积和曲线 S e t T O V L曲线 。 从图表可 以看出， 序列 S e t l 9下的重量最小， 应力虽然略 高， 也在误差允许范围内， 但是该方案立柱间距过小 ， 影响支架 整体稳定性和通过性 ， 方案不太可取， 故调整设计变量 x 6的取 值范围， 取 S e t 2 6为最终方案 ， 最终方案较初始设计方案 S e t 1 应 力减小 6 ． 5 ％， 重量减少 1 1 ％， 减重效果十分显著。 66 0 6 40 6 20 6 oo 5 60 5 20 V a l“ 4 印 4 40 40 0 36 0 32 0 20 o 1 5 9 1 3 1 7 2 1 2 5 3 7 1 1 1 5 1 9 2 3 2 6 Se t Nu m b e r 图 5设计序列一等效应力曲线 F i g ． 5 De s i g n s e t s Vo n M i s e s s t r e s s c u r v e s 1 ’ RS UPPER 1 5 9 1 3 1 7 2 1 2 5 3 7 1 1 1 5 1 9 2 3 2 6 Se t Numb e r 图6 设计序列一体积和曲线 F i g ． 6 De s i gn s e t s t o t a l v o l u me c u r v e 5结语 基于 A N S Y S平台对液压支架顶梁进行参数化建模，利用 A N S Y S优化模块， 对顶梁截面参数进行优化 ， 完成了顶梁的减 重设计， 优化方案较原设计方案最大等效应力降低 6 ． 5 ％， 重量 减少 1 1 ％， 减重效果十分显著。该方法可以推广应用到其它类 似工程结构的优化设计中去。 参考文献 1 王勖成， 邵敏． 有限单元法基本原理和数值方法． 北京 清华大学出版 社 ， 1 9 9 9 ． 2 乔红兵， 赵雪松 ， 范迅等．轻放液压支架掩护梁强度有限元分析．矿山压 力与顶板管理 ， 2 0 0 3 ， 4 ． 维普资讯