基于Ansys Workbench的圆管带式输送机桁架结构的有限元分析

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1 有限元模型的建立圆管带式输送机 (以下简称管带机)是-种将物料包裹在强制形成管状胶带内进行输送的特殊带式输送机，与普通带式输送机相 比，具有物料封闭运输，大倾角复杂地形建设，运行可靠，维修费用低等特点，因此被广泛运用于物料运输行业中。机架结构作为圆管带式输送机的重要组成部分，其成本占总成本的三分之-。而在生产实际中，设计人员往往只考虑桁架结构的可行性方案，结构笨重、材料浪费现象严重。因此不但要选择合适的桁架结构形式，还要对选定的桁架结构进行优化设计，从而达到节约材料、降低造价的目的。本文以-段跨度为 l8.64 ITI、管径为310 mm的圆管带式输送机桁架结构为研究对象，通过Ansys Workbench对桁架结构的静力分析和截面结构的优化，找到设计中的薄弱环节，并加以改进，使机架结构在满足工作条件的同时为企业降低更多成本，实现利润的最大化。

- - 6 --DesignModeler是 Ansys Workbench的建模平台，其功能类似于-个 CAD的工具，但与普通CAD软件不同，它主要用于有限元网格划分，所以它的-些功能也是-般 CAD软件所不具备的，如梁建模、封闭操作、填充操作等 J。因此采用DesignModeler中的梁建模比其他 CAD软件建模更适合桁架结构的有限元分析，此外，在建模过程中直接定义桁架结构的截面角钢尺寸为参数化变量，为下面的结构优化设计提供方便。

考虑到管带机的-些结构部件如栏杆、托辊、输送带、防护网等对整体结构刚度影响有限，建立有限元模型时将其全部省略，在进行静力分析时这些部件将以力载荷的形式作用于机架结构上。

基于以上条件，管带机-段桁架梁在 DesignModel-er中的三维模型如图 1所示。其中桁架长 18.64in，宽820 mm，高 1 600 mm。机架的弦杆和腹杆均采用型号为 87×87×7.2的角钢，材料选用工程《起重运输机械》 2013 (3)中常用的 Q235-A，其密度P7 850 kg/m ，泊松E 0.3，弹性模量 E2×10 Pa，屈服强度 235 N/mm 。

图 1 管带机机架结构模型对机架结构的有限元网格划分采用 自动网格生成法，网格单元设为180 mm。机架的有限元网格如图2所示。

图2 管带机机架结构有限元模型2 管带机机架结构的线性静力分析管带机桁架结构复杂，在使用过程 中所受载荷随外部天气条件和工作量的变化差异较大，计算施加载荷时应做等效的简化。本节将模拟管带机机架结构受本身载荷、运行带料负载以及风载、雪载等活动载荷的受力情况进行工况分析。

1)机架结构 自重机架结构 自重载荷包括桁架结构 自重、输送带自重、托辊及托辊窗 自重、桁架两侧的过道及栏杆 自重。桁架本身 自重 P，17.450 kN；托辊形式采用工程常见的普通六辊式，加上托辊窗后的自重 P266×7×9.87 850×1.324×0.007×9.815.323 kN；输送带单位重力 16.98 N/m，总重力 P316.98×18.64×9.83.191 kN；桁架两侧过道为宽800 mm、厚 8 mm镀锌格栅板，防护栏杆高 1 200 mm，自重P49.76 kN。所以机架 自身总重 PPP2P3P445.724 kN。

《起重运输机械》 2013(3)2)工作负载机架结构的工作负载主要是运输物料的载荷，为了简化分析，按照静态载荷进行处理。运输物料填充率为 56.29%，自重为 38 kg/m，通过计算总重力为 6.941 kN。

3)活动载荷活动载荷主要包括风载和雪载，将风载视为- 种水平的静载荷PfCKhqa式中：q为计算风压，结合管带机所处的环境，取 qv2/1.6 N/m ， 20 m/s；Ks为风力高度变化系数，Kh1.25；C为风力系数 ，C1.6；A为结构的迎风面积。

将桁架梁视为-端铰接，-端为可移动脚支撑的静定梁进行分析～叠加在上下弦杆的集 中力合成为-个作用在中间节点的等价载荷加入到Ansys Workbench的静力学分析拈 Static Structural中进行强度和刚度的有限元分析。

图3为机架结构在剧载荷作用下的位移场云图。图中计算所得的变形结果中的正负号仅仅表示变形的方向，将其萨对值作为实际参考的变形量。由图中可以看出，竖向最大位移发生在桁架迎 风面 的上 弦杆 中间节点 处，最 大位移- 10.792 mm，由机架受力引起的竖向挠度与桁架结构的跨度的比值 10.792/18 6400.578 9%o，远小于工程设计规范要求的1/500的跨度比，因此机架结构满足刚度的要求。

同位移变形图中的正负号-样，图 4计算所得的应力结果中的正负号表示受力的方向，将其萨对值作为实际参考应力。机架结构选用材料Q235-A的屈服应力极限是235 MPa，炔全系数为2，则材料的许用应力 [or ]235 MPa/2117 MPa。由图中可以看出，机架结构在 自重和工作负荷下的最小组合应力发生在桁架迎风面上弦杆 的 中 间 三 个 弦 杆 处，最 大 屈 服 应 力 l-92.93 I92.93 MPa。即 <[or ]，因此机架结构满足强度方面的要求。

3 机架结构的优化设计3.1 优化设计模型的建立桁架弦杆和腹杆截面均采用87 X87×7.2型号- - 7 -- 图 3 管带机机架结构变形图图4 管带机机架结构最小组合应力图的角钢，如图 5～机架的质量作为优化的目标。

由最小组合应力图可知，采用当前尺寸时，材料的最大屈服强度为92.92 MPa，小于材料的许用应力，故存在较大优化空间。因为机架总量最轻和总体积最小是等效的，而且结构的总体积是结构中各角钢长度与截面尺寸的函数，所以通过对截面尺寸的结构优化可以达到减轻机架结构质量的目的。

图 5 桁架截面角钢尺寸采用 Workbench中的Design Exploration拈为优化工具，以桁架结构截面尺寸为输入参数，以最小组合应力绝对值的最大值为输 出参数，建立优化结构模型。设定输入输出参数优化范围在原值的基础上变化 ±10%，样本数为 15，通过实验计算法可以观察到设计点的优化情况，如表 1。

3.2 响应曲面分析响应曲面分析是 Design Exploration优化设计分析中的-种动态的显示输入输出关系的分析形式，通过改变输入参数变量值得到相应的输出参数变量值。这种分析的好处是可以提供各种输入参数值的精准定位。或者通过固定-种或几种输入参数改变另外的-种或几种输入参数，观察这种改变的输人参数对输出参数的影响程度，为设计者- 8 - 的综合决策提供参考。

表 1 设计点的具体参数值样本 L./mm L。/mm H/mm 最小组合编号 应力/MPa1 87.O0o 87.000 7.200 -92.9382 78.3o0 87.0o0 7.200 -96.2083 95.700 87.000 7.20o -89.9974 87.000 78.300 7.20o -96.2445 87.0HD0 78.300 7.20o -89.9696 87.000 95.700 7.20o -96.2577 87.000 87.000 7.920 -89.8708 79.927 79.927 6.614 -101.369 94.073 79.927 6.614 -95.96110 79.927 94.037 6.614 -95.37211 94.073 94.037 6.614 -90.74812 79.927 79.927 7.785 -95.71513 94.073 79.927 7.785 -90.23514 79.927 94.037 7.785 -90.66215 94.073 94.073 7.785 -85.925图6中的 3个图分别为 、L 、 ，L 、H、， L，、H、 的响应曲面分析图。从响应曲面可知输入参数 、L：、h均与输出参数 成线性关系，且 L 、L 、h减小， 增大。

3.3 目标驱动优化目标驱动优化是-种多 目标优化技术，是从给出的-定量的设计点中得出最佳设计点。故优化样本数量越多，优化结果越精确。本文拟定样本数量为 100，各输人参数优化范围为 ±10%。依照响应曲面将输入参数 、L：、日和输 出参数作为优化 目标， 目标设为小，重要程度最高，通过目标驱动优化后产生 3组候选的优化设计点，如表 2。

表2 优化解候选点 L1/ram L/ram H/mm o'/MPaA 78.387 78.387 6.487 -107.370B 80.475 81.650 6.700 -99.934C 84.651 80.834 6.558 -99.366《起重运输机械》 2013(3)