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某碳素廠大型臺(tái)車(跨度約20m)在行走時(shí)易發(fā)生偏移，為此設(shè)計(jì)了一種液壓糾偏機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)安裝在臺(tái)車兩側(cè)，主要由導(dǎo)向輪、安裝支架、推力油缸等組成，在臺(tái)車行走時(shí)推力油缸將導(dǎo)向輪推出頂在臺(tái)車旁邊的導(dǎo)軌上，臺(tái)車因受反向推力而可避免向前行走時(shí)偏移軌道。由于該機(jī)構(gòu)中的油缸推力較大(約500kN)，對(duì)整個(gè)裝置的強(qiáng)度有著較高的要求。因此，在設(shè)計(jì)初期對(duì)液壓糾偏機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
近年來(lái)，針對(duì)工程實(shí)際中需解決的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，很多學(xué)者采用有限元方法進(jìn)行分析。王春華等分別采用UG，ANSYS等軟件對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行有限元分析，求得分析結(jié)果，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)；而對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的研究，也從傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向了借助有限元軟件進(jìn)行分析，主要是借助ANSYS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化并尋求結(jié)構(gòu)改進(jìn)。根據(jù)液壓糾偏機(jī)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)，建立三維模型如圖所示。以初步設(shè)計(jì)的液壓糾偏機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，借助ANSYS軟件的APDL參數(shù)化語(yǔ)言，建立液壓糾偏機(jī)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，分析該機(jī)構(gòu)的靜強(qiáng)度;建立液壓糾偏機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型，采用零階優(yōu)化方法進(jìn)行求解，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并以此為依據(jù)重新設(shè)計(jì)制作液壓糾偏機(jī)構(gòu)并應(yīng)用于工程實(shí)踐。
對(duì)液壓糾偏機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，并在ANSYS中建立簡(jiǎn)化后的三維模型，其材料彈性模量E=2.06xe11Pa，密度p=7.8xe3kg/m3，泊松比0.3，采用SOLID45三維實(shí)體單元對(duì)該模型劃分有限元網(wǎng)格，并施加邊界條件和計(jì)算載荷，如圖所示，共計(jì)122245個(gè)單元，31560個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算工況為：該機(jī)構(gòu)頂端施加固定約束，側(cè)面與推力油缸連接部分施加500kN的正壓力。在ANSYS中進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到計(jì)算工況下液壓糾偏機(jī)構(gòu)的綜合位移云圖和等效應(yīng)力云圖，分別如圖所示。分析表明，該機(jī)構(gòu)的最大變形量為0.853mm，位于機(jī)構(gòu)底部的底板處；最大等效應(yīng)力為123MPa，位于H型鋼與安裝支架連接處，其剛度與強(qiáng)度均滿足要求。但該機(jī)構(gòu)總重量達(dá)到1006kg，各部件質(zhì)量較大，需考慮進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到輕量化的目的。
選取液壓糾偏機(jī)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量的初始值及取值范圍見(jiàn)表。為保證優(yōu)化后液壓糾偏機(jī)構(gòu)仍滿足剛度與強(qiáng)度要求，取該機(jī)構(gòu)的最大綜合位移和最大等效應(yīng)力為狀態(tài)變量，如式中：umax，vmax為優(yōu)化過(guò)程中每次迭代機(jī)構(gòu)的最大綜合位移、最大等效應(yīng)力。為初始設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)的最大綜合位移、最大等效應(yīng)力。為實(shí)現(xiàn)液壓糾偏機(jī)構(gòu)的輕量化，取機(jī)構(gòu)總體積為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)如式：Vum勸為優(yōu)化過(guò)程中每次迭代機(jī)構(gòu)的總體積。因此，液壓糾偏機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如式：根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，建立液壓糾偏機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，編寫APDL命令流循環(huán)求解程序，采用零階優(yōu)化方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。求解程序迭代至第巧步時(shí)收斂，目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量的迭代曲線分別如圖所示。優(yōu)化后此糾偏機(jī)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表所列。優(yōu)化后，液壓糾偏機(jī)構(gòu)的重量為834kg，較優(yōu)化前減輕了17.1%，最大綜合位移和最大等效應(yīng)力依然滿足設(shè)計(jì)要求，可見(jiàn)優(yōu)化效果良好。根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化圓整后的結(jié)果，修改液壓糾偏機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行制作，制作完成后的液壓糾偏機(jī)構(gòu)如圖所示，目前使用效果良好。
為防止臺(tái)車在行走過(guò)程中偏離軌道，設(shè)計(jì)了液壓糾偏機(jī)構(gòu)；在ANSYS軟件中建立了基于APDL的液壓糾偏機(jī)構(gòu)參數(shù)化有限元模型，分析結(jié)果表明，初始設(shè)計(jì)參數(shù)下機(jī)構(gòu)的靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求;為實(shí)現(xiàn)液壓糾偏機(jī)構(gòu)的輕量化，建立了液壓糾偏系統(tǒng)的優(yōu)化模型，并采用零階優(yōu)化方法進(jìn)行求解，結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，優(yōu)化后機(jī)構(gòu)的重量減輕了17.1%；根據(jù)優(yōu)化求解得到的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，重新設(shè)計(jì)并制作了液壓糾偏機(jī)構(gòu)，并付諸使用，使用情況良好。
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