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HFZS1640型振动筛强度的优化设计
发布时间：2013-04-11 08:32 来源：未知
0、引言
本文利用有限元分析软件ANSYS建立HFZS1640型振动筛筛箱结构的参数化有限元模型。通过谐响应分析求出振动筛工作状态下的动应力分布，并以筛箱各板厚度为设计变量，动应力为状态变量，总质量为目标函数，通过零阶法对筛箱结构进行优化计算，给出振动筛结构的优化设计方案，从而实现振动筛结构设计中采用精确计算代替近似计算，用优化设计代替经验设计。这种方法既能保证筛箱强度，又使筛箱整体的应力分布更加均匀化，得到较为满意的设计结果，是筛箱设计的一种行之有效的方法。
1、有限元模型的建立及强度分析
1.1 参数化有限元模型的建立
HFZS1640型振动筛是一种直线振动筛，其结构主要由筛箱、激振器和弹簧等部件组成。筛箱是由大梁、横梁、侧板、布料盘、底板和加强肋等零部件组成的空间板梁组合结构，整个筛箱由4个橡胶弹簧支撑在底座上。激振器由2个同速反向旋转的激振电机和电机主轴上的偏心质量组成，激振电机通过螺栓与筛箱联接。激振电机旋转产生惯性力，使筛箱做直线运动。
由于筛箱部分主要以板材为主，因此在单元划分时，主要采用ANSYS单元库里的she1163单元，以各板厚度为参数建立参数化有限元模型。用com-bine14单元模拟弹簧，其中弹簧的横向刚度通过在横向加combine14单元来模拟，按照筛箱与底座固结的实际位置施加弹簧单元边界条件。用质量单元模拟激振器。该模型的总节点数为10 421，壳单元数为21 462，弹簧单元数为52，质量单元数为6。其有限元模型如图1所示。
1.2 HFZS1640型振动筛的强度分析
振动筛在工作过程中不仅承受较大的激振力，而且侧板和上、下横梁上还分布着很大的惯性力，使得侧板和梁产生较大的动应力。通过模拟激振器工作状态，应用ANSYS对HFZS1640型振动筛进行了动态分析，得到了筛箱在工作时的动应力分布云图，如图2所示。从图上可以看出，除最大动应力发生在侧板入料端与上横梁的连接部位的加强肋处(其值为41.2 MPa)外，其他部位的应力值都比较低，均小于国家规范对振动筛设计要求规定的许用动应力值24.5 MPa。这说明在激振力的作用下，入料端上横梁与筛箱侧板的连接部位变形及应力值最大，而其他处应力值能满足强度要求。
2、HFZS1640型振动筛的优化设计
2.1优化问题一般数学模型
基于有限元分析的尺寸优化数学模型可描述如下：设有n个设计变量X=[Xl，X2，…，%]，在满足g(x)和h(X)的约束条件下，求目标函数f(X)最小。
2.2 ANSYS优化步骤
将上面求解的各节点处应力值按降序排列，提取最大值并赋给相应的参数做为状态变量，将满足强度条件下的总质量最小作为目标函数。生成一个用参数定义模型并指定设计变量、状态变量和目标函数的分析文件。由这个文件可以自动生成优化循环文件，用来进行优化循环迭代。本文以各板厚度为设计变量，一共有8个设计变量。以振动筛许用动应力为约束条件，这里取约束条件为动应力不超过24.5 MPa。对于设计变量和状态变量分别定义最大值和最小值。选择零阶优化方法(Sub - Prob-lem)，其中可控制的最大迭代次数为30。
2.3优化结果及分析
(1)优化结果
优化收敛误差取e=0.5，优化经20次迭代后收敛，最优结果在第19步。表I给出优化前后设计变量、状态变量以及目标函数的变化情况。同时优化后的振动筛筛箱结构的等效应力场分布如图4所示。
(2)结果分析
由表1可见，优化后振动筛筛箱结构的设计变量都发生变化。主要表现在：侧板和横梁尺寸比优化前都明显增加，大梁尺寸和加强肋则有所减少，优化后动应力最大值为22.5 MPa，小于许用应力24.5MPa，满足了振动筛强度的要求，优化后整体质量也有所增加。
从图4知，优化前侧板入料端与上横梁的连接部位的加强肋处的应力集中严重，经优化后应力集中得以明显改善。且优化后结构的应力分布较优化前更为均匀，这说明经过优化后筛箱结构达到了最佳的配置。可见用各板厚度作为设计变量进行优化是有效的。
3、结语
有限元方法是振动筛设计的重要手段，它克服以往靠经验和模仿的设计状态，避免简化计算带来的设计误差，提高了设计效率和设计精度。基于有限元法的参数化建模可以快速动态地修改模型，动态得到各种分析结果，并可以进行优化分析。改变振动筛各板厚度对振动筛强度影响较大，优化设计计算给出了振动筛各板厚度在满足强度要求下的最优值。
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