基于ANSYS的采煤机支撑腿优化设计.pdf

第3 2 卷第1 2 期煤矿机械V o l3 2 N 0 1 2 竺 兰 生竺垫 塑竺 堕 翌竺翌 基于A N S Y S 的采煤机支撑腿优化设计 甄凤博。伍学秋．张量晖 三一重型装备有限公司．沈阳1 1 0 0 2 7 摘要以M G 3 0 0 ／7 1 0 一W D 为例．用A P D L 对采煤机支撑腿建模，分析最大载荷时支撑腿所受 应力和位移。利用A N S Y S 优化模块对支撑腿进行结构优化，优化后效果明显，为支撑腿的设计改 进提供了一种很好的方法． 关键词A P D L ；应力；位移结构优化 中图分类号T D 4 2 1 ．6文献标志码A文章编号1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 1 1 1 2 0 0 2 4 0 2 O p t i m a lD e s i g no fS h e a r e rS u p p o r t i n g - b o a r dB a s e do nA N S Y S Z H E NF e n g - l m , W Ux m ．- - q l u ．Z H A N GJ i n g - h u i S YH e a v yE q u i p m e n tC o ．，L t d ．，S h e n y n n gl1 0 0 2 7 ，C h i n a A b s t r a c t S t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw h e ns h e K r e rs u p p o r t i n g - b o a r dw h i c hb a s e do nt 0M G 3 0 0 门1 0 W D b e a r i n gm a x i m u m1 0 a da n dt h em o d e li ss e tu pb vA P D L ．U s i n gA N S Y S t oa sas t r u c t u r eo p t i m i z e dw a y f o rs u p p o r t i n g b o a r da n dt h er e s u l t si sb e t i e rt h a nb e f o r e ．T h et e x tp r o v i d e da ne x c e l l e n tm e t h o df o r o p t i m i r a t i o no ft h es u p p o r t i n g I x , a r d ． K e yw o r d s A P D I J s t r e s s ；d i s p l a c e m e n t s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 0 引言 本文以M G 3 0 0 F ／1 0 - W D 采煤机支撑腿为铡．运 用A N S Y S 进行结构优化。目的在于设计出重量轻、 刚度高、承载能力强的支撑腿，优化手段和优化结 果具有一定的理论指导和使用价值。 1支撑腿有限元模型建立及求解 支撑腿作为主要的支撑零件．结构简单． M G 3 0 0 ，7 l O - W D 采煤机支撑腿整体约为7 1 6 斌8 7 0 的钢板．顶部用2 根4 , 7 0 的销将支撑与牵引箱进行铰 接．底部l 根4 , 8 0 的圆柱销将支撑腿与滑靴进行联 接。材料为合金铸钢。其弹性模量肛1 8 9 x 1 0 3M P a 泊 松比g - - 0 ．3 屈服极限t 3 4 5M P a 。在建模时做了必 要的简化．省略了部分倒角．对支撑腿在A N S Y S 中 采用S O L I D 9 2 四面体实体单元进行网格划分．并根 据支撑腿的具体结构特点进行局部细化，划分得到 的有限元模型如图1 所示。 匣1支撑腿的有限元模型 通过对采煤机采煤过程进行受力分析并参照主 要指标参数．计算得出在采煤机工作时受最大压力 为1 9 83 7 6N ．同时受牵引拉力约为3 96 7 5 ．2N 。利 用A N S Y S 对支撑腿进行静力学分析．得到相应的 位移云图和应力云图如图2 、图3 所示。 钢丝绳在卷筒上的最大缠绕直径 【1 】赵连春，宋艳亮，杨球来，等J H - 5 型圆柱绞车的改进设计[ J ] 煤 鲴“竺竺, 嚣“ 4 ．x ．2 。x 面3 4 。 。8 岵1 1 苎 [ 2 ] 可万“ 建／a l , 民g , ，2 赵0 0 连4 春2 5 9 J H - 6 0 ．1 4 型回柱绞车的改进设计[ J ] 煤矿机械， 钢丝绳在卷筒上的平均缠绕直径 ”。蕊；蕊l ；l J 二j ⋯⋯～一一”⋯‘4 ⋯⋯ z ≯c I 孚 D 。一D 岫 6 8 0m m[ 3 1 考洪聪，李炳文，黄虎，等回柱绞车中双联齿轮的有限元分析[ J ] 在设计过程中．对减速器所选用齿轮材料进行[ 4 】张颖，李淑娟．徕斌．等．J H 2 5 型回柱绞车过桥齿轮改造措施[ J ] 了选择．并且对其进行了力学分析；同时对滚筒的 攥矿机械’2 0 1 0 3 l 旧1 6 5 ． 转速迸荇了演算和验证，保证了安襄和强度条件， ∞1 纂瑟 蔷譬萍’争新型矿用液压圆柱绞引煤矿机 尽可能简化结构、减小了产品的外形尺寸。 【6 ] 李景奇．少齿差行星传动在回柱绞车上的应用[ J ] ．攥矿机械2 0 0 l ，2 2 4结语0k36--37． 通过上述设计过程可知．设计的J H 一2 0 型回柱 [ 7 】孙群，赵连春．宋艳亮，等．J H X 一5 型回柱及调度两用绞车的性能试 绞车与其他以往的设计相比，具有的优点芎耄警鬟5 ；；j ；篙筹；等警纛畏暑毛订西穗丽 1 结构简单，布置合理；程磺士在读．主要从事矿山机械方面的教学与科研工作．发表学术论 2 操作简单，安全可靠。 ●考文■ 奎墨堕，皇三堡堕竺竖 竺竺 竺 责任编辑王海英收稿日期2 0 1 1 0 7 2 0 一2 4 万方数据 塑丝鲞笙 塑苎王垒盟 塑墨堡垫塞竖坚垡垡堡生二塑垦堡篁 尘 盟 图3 支撑腿的应力云图 由分析结果可知．在受最大压力的工况下．支撑 腿的最大应力为1 3 8 ．7 5M P a ．最大位移为0 ．7 4 8I n m 。 铸钢Z G 3 5 C r M n S i 的屈服极限口。 6 9 0M P a 。选取安 全系数n 1 ．5 ，则许用应力值[ 口] ；口咖- - 4 6 0M P a ，最 大应力和许用应力相差很多．且刚度小于受弯件挠 度的许用值．支撑腿结构存在优化的必要。 2 支撑腿的结构优化设计 2 ．1 尺寸参数定义 结构优化用A P D L 语言实现参数化建模．本文 中选取了如下几个参数作为设计变量对支撑腿进 行多目标优化，分别为A 、B 、c 、￡、M 。如图4 所示。 圈4 支撑腿设计变量 同时将目标函数定义为支撑腿质量、最大等效 应力和最大变形。 设计变量 F i n d X [ A ，B ，C , L ，阍； 目标函数 O B J 支撑腿质量m X 一m i n 状态变量 D v 最大等效应力S 豫S ≤1 4 0M P a 最大合位移D 。≤0 ．6 5m m 。 在A N S Y S 中利用初始设计变量建立参数化模 型．进行静力学分析，并生产优化文件．选择节点的 最大等效应力和最大合位移作为状态变量．设定支 撑腿的总体质量为目标函数，通过改变设计变量． 在满足强度和刚度的条件下，对机构质量最小进行 优化设计。 2 ．2 优化结果及分析 采用零阶方法．通过2 0 次迭代．得到1 4 组最 优设计序列 S E T l 4 ．找出了一组设计变量的最优 解．目标函数与迭代次数的结果如图5 所示。 选代次数 圈5 支撑腿质量随选代次数的变化曲线 参照图5 的变化曲线，选取第1 4 个序列．此时方 案得到的支撑腿质量为2 3 4k g , 对应的设计变量和状 态变量数值如表l 。根据优化后的设计变量进行适当 的修正后建立新的支撑腿模型．进行有限元分析．并 将优化前后的受力情况进行了对比。如表1 所示。 表1支撑腿优化前后对比 图6 给出了优化模型的应力云图．由图可知优 化后模型的最大应力相对于优化前减小了1 6M P a 。 围6 优化圆整后支撑腰的应力云田 3 结语 1 该型号的支撑腿设计有待优化．采用优化 方案后，支撑腿结构共节省材料1 4 妇，节约材料占 原零件重量的5 ．6 ％ 2 提高了安全系数。安全系数由3 ．3 变为3 ．7 ； 通过优化．支撑腿的安全系数增大了1 2 ％．支撑腿 刚度提高显著 3 进行结构优化后的支撑腿节约了材料．应 力减小了1 6M P a ．可为煤矿机械设备制造企业降低 成本。增加利润。 参考文献 [ 1 ] 刘春生．维筒采煤机理论设计基础[ M ] 徐州中国矿业大学出版社， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 邵俊杰采煤机数字化建模与关键零部件有限元分析[ D ] 西安 西安科技大学．2 0 0 9 作者简介甄风博 1 9 8 3 一 ，辽宁营口人．硕士，2 0 0 9 年毕业 于辽宁_ [ 程技术大学机械设计及理论专业．现从事采煤机方面的设 计与研究，电子倩箱z h e m b s a n y ．c o 吐c n ． 责任编辑王梅英收稿日期2 0 1 l 一0 6 1 8 2 5 万方数据