基于ANSYS的经编机墙板结构优化

王 水，王敏其，黄龙振,王菡珠，高至恺， 汤重九，陈传强

(1.五洋纺织机械有限公司，江苏 常州 213100) (2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

经编机中墙板是负责支撑经编机的部件，其工作稳定性关系到经编机运行时是否平稳。作用在墙板上的外载荷众多，如梁架在上端面的固定载荷和轴孔中轴承载荷，工况较为复杂。

目前经编机多属于批量定制，其设计却普遍采用借鉴老机型经验进行估计的方法，导致新机型不仅笨重，而且性能无法评估，预定的效果难以实现，样机试制设计周期长，成本无法降低，因此需要引入新的设计方法。

当前有限元分析与优化设计已广泛应用于机械产品的轻量化设计中。如李学忠[1]结合有限元拓扑优化研究了某重型商用车平衡轴支架轻量化设计；赵云亮等[2]对折臂式随车起重机动臂轻量化设计进行了研究。在经编机设计领域，有限元设计在国内属于起步阶段，朱志刚等[3]研究了经编机牵拉装置结构分析与优化，建立了该机构的刚柔耦合虚拟样机的仿真模型，得到了运动过程中关键零件的等效应力情况，优化了不合理的设计；孙奎等[4]使用UG NASTRAN有限元软件分析经编机摆动臂并进行优化设计，通过改变摆动臂主要设计参数，使结构的质量减轻了7.6%，从而有效提高了机构的运行速度；曹彦[5]、李欣[6]等学者均结合有限元软件ANSYS对各自所研究的零件进行优化分析，并均达到预定轻量化优化设计目标。由此可见，借助有限元仿真等计算机辅助分析软件,不仅可提高设计效率,而且可提高材料利用率,降低能耗，改善结构设计的合理性，已经成为当下及未来进行轻量化设计的必然趋势。

本文以某高速经编机的墙板为设计对象，在满足设计要求和零件强度的前提下，以减轻墙板质量为设计目标，利用ANSYS创建墙体的有限元模型，针对其外壳厚度和筋板厚度这两个重要参数进行优化分析，得到改进的设计方案，为经编机墙板的设计提供理论依据。

1 仿真优化方案设计

就产品的设计阶段而言，本文的优化属于详细设计优化，在满足产品性能的前提下采用尺寸、形状和自由形状优化技术改进结构,采用全因素分析的方法进行优化试验方案设计。

使用有限元软件进行墙板优化设计时，应充分考虑到引起墙板结构失效的相关载荷分布，从而确定校核墙板结构的强度与刚度仿真方案并进一步进行结构优化设计。静态分析包括以下几个方面的内容：1)结构的强度是否满足要求；2)校核结构抵抗变形的能力，并为动力学分析等提供相应数据；3)分析结构在静载荷下的结构特性，优化结构设计，并为其他方面的分析提供资料。

2 结构建模及仿真分析

2.1 有限元建模

选用某高速经编机机型的分段外墙板进行有限元分析，其模型图如图1所示。下端面为1 070mm×160mm，上端面为674mm×160mm，高度为524mm，外壳厚度为30mm，筋板厚度为25mm。墙板材料为Q235，质量为235.1kg。

图1 墙板模型图

在对结构进行分析的基础上，对原经编机墙板进行有限元静态分析。为了简化分析，不考虑其在装配过程中与油箱连接的螺栓孔。考虑到计算精度与计算时间的平衡，使用四面体网格划分墙板模型，在存在轴孔的部位网格使用单元为5mm的细密网格，在其他部位网格使用单元为10mm的疏松网格。总共有91 298个节点，52 664个单元。墙板的材料选择Q235，弹性模量为2.08E+11N/m2，泊松比为0.277，质量密度为7 860kg/m3。根据其装配后的正常工作情况，将墙板底面设置为固定约束。上端面施加压力载荷，某高速经编机的总质量为5～6t，划分到单个墙板支撑的总压力大概为2×105N。轴孔处施加轴承载荷，大约为7 000N。

2.2 有限元分析

该墙板的静力学分析结果如图2～图4所示。最小等效应变为7.562×10-9mm/mm，最大等效应变为2.257×10-4mm/mm，最大总变形δmax为0.130mm，最大等效应力σmax为41.57MPa，小于许用应力值120MPa，有很大的安全裕量，因此结构上有较大的轻量化优化的空间，可使优化后的零件既能满足材料强度安全又能达到零件减重的目标。本墙板的主要特征为外壳和筋板，因此选择外壳厚度和筋板厚度作为优化对象。

图2 等效应变云图

图3 优化前的δmax变形云图

图4 优化前的 σmax变形云图

3 结构优化及仿真验证

3.1 基于全因素试验选定优化方案

由于该经编机墙板结构特征因素较少，因此选择直观的全因素试验方法，选取其外壳厚度(因素A)和筋板厚度(因素B)作为优化因素进行优化试验，以最大位移δmax和最大应力σmax为设计目标。其试验因素水平表见表1，试验结果见表2。

表1 试验因素水平表

对表2的试验数据进行单一因素下影响结果汇总处理，得到单一因素A和B对δmax和σmax的影响，试验数据处理结果见表3，单因素影响趋势图如图5和图6所示。表3中K1行δmax下A列的值为表2中因素A在其因素水平1下所有δmax的和，K2、K3、K4同理，k1、k2、k3、k4行各值为K1、K2、K3、K4所对应值均值。如果因素A 对δmax没有影响，那么在因素A的水平分别取为k1、k2、k3、k4时δmax值应当近似相等，但从表3中数据可以看出，实际上它们并不相等，说明因素A的水平变动对δmax存在影响，其余同理。然后根据极差R的大小确定影响因素的主次。由表3中极差值可以很明显地看出,无论是δmax还是σmax，因素A均为主要影响因素。虽然因素A在k4的水平下σmax最大，但已经超过了材料许用极限应力值120MPa，故予以舍弃，所以A因素下k3所在水平为优选水平，即因素A壳厚选定为第3水平的数值20mm，因素B同理选择。最终选择的优选方案为A3B4，即因素A外壳厚度20mm，因素B筋板厚度10mm。

表2 试验方案及结果

表3 试验数据处理结果表

3.2 验证优化方案

优化后的墙板经有限元静态分析后得到的云图如图7和图8所示，其δmax和σmax数据对比见表4。可以看出，优化后的墙板依然满足使用条件，其最大等效应力为88.82MPa，小于Q235的许用接触应力120MPa。经计算，优化后的墙板在保持外部尺寸不变且满足使用要求的情况下，质量减少了17%。

图5 各因素水平对δmax均值的影响趋势图

图8 优化后的 σmax变形云图

表4 优化前后模型性能参数对比

本文在建模中简化了墙板底部的螺栓连接和部分圆角等因素，在等效应力图中可以明显看出，应力主要集中在其中的几个尖角部位，由弹性力学可知尖角部位的应力是无穷大的，但是在实际应用中因存在圆角等因素，并不会存在上述应力无穷大的情况。总之，利用简化过后的模型进行有限元分析，其结果是保守和偏于安全的。工厂根据优化得到的外壳厚度和筋板厚度，进行实际生产验证，效果良好，图9为参数改良后实际装配的墙板图。

图9 改良后装配待用的实际墙板

4 结束语

经编机墙板的设计质量直接关系到整台经编机的作业性能。本文应用有限元软件ANSYS对经编机的墙板进行仿真分析优化 ，不仅可检验目前结构是否符合作业的要求，也为日后经编机的设计优化提供了理论的依据和基础。