结构件优化设计策略探讨

摘要：

本课题充分利用Ansys有限元分析的计算优势和VB编程的人性化设计，以立板吊耳为研究对象，旨在探索了一种优化设计结构和提高设计效率的方法。

一课题背景：

吊耳广泛应用于工程机械、车间现场和露天施工场地。但是据相关数据显示，关于吊耳的设计缺乏标准的设计参考，本课题尝试利用Ansys和VB探索研究一种吊耳的优化设计方法，为生产制造提供一定的参考。

二思路方法：

根据理论及经验公式，提出计算模型，编译vb程序，最后利用Workbench中Design Exploration模块对初步设计进行优化，找到最优设计尺寸，具体思路如图1所示。

图1 优化设计路线图

二使用工况：

立板吊耳使用条件为垂直轴载荷2t，安全系数为2.5，选用材料为Q235，材料的基本许用应力[σ]=235/1.34=175Mp，[τ]= [σ]/1.732 =101Mp。受力简图2如图所示。

图2 受力简图

三方案步骤：

1 编写VB程序

根据生产经验及理论公式，选取相关参数，编写VB程序，方便后续设计校核使用。其工作界面如图3所示。初步设计吊耳的尺寸为r=60mm，h=40mm，δ=15mm，θ=70°，其数值计算结果如图3所示，最大应力为134Mp<[σ]=175Mp，

剪切应力=83.3Mp<[τ]=101Mp

满足强度条件。

图3 VB计算界面

图4 有限元计算结果

2、Ansys有限元分析

经过有限元软件Ansys分析相同尺寸吊耳的受力情况，其结果如图4所示，最大应力值为136.87Mp，与数值计算结果几乎相同，说明有限元模型设置合理，符合实际要求。同时也验正了初步设计尺寸满足强度要求。

3、尺寸结构优化研究。

如何使吊耳在满足强度条件的前提下，吊耳质量最轻。根据经验可得，内径越小，外径越大，角度越小，厚度越大，吊耳越安全，但是吊耳的内径越大，外径越小，厚度越薄，质量越轻。如何有效地解决这对矛盾呢？

下面以初步设计尺寸为出发点，利用Workbench中Design Exploration模块（优化设计模块），探索研究一种最优尺寸结构，使吊耳在满足强度条件的前提下，吊耳质量最轻，节省原材料，降低生产成本。

在Design Exploration模块中，几何模型的尺寸设计参数为内径r，宽度h，角度θ和板厚δ。如图5所示。

图5 计算模型

有限元分析计算流程如图6所示，首先设计计算模型，划分网格，计算结果验证模型的准确性，其次设计优化参数，设定优化实验方案，本课题工做26组实验，计算相应曲面分析不同参数对吊耳受力的影响，最后设定多目标优化方案，选出最优参数组合，达到优化吊耳结构的目的。

图6 优化设计流程图

计算结果如图7所示，由结果可以看出内径越小，外径越大，角度越小，厚度越大，吊耳应力越小，这符合理论计算及实际情况。但应力最小时，吊耳尺寸为r=65mm，h=51mm，δ=16mm，θ=65°，质量为3.4Kg，初步设计质量为4.15Kg，节约材料18%。此时应力为97.56Mp，比需用应力小的多，因此可以适当提高材料的受力大小，进一步优化吊耳结构。