正交試驗(yàn)設(shè)計下的振動偏心塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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摘要：結(jié)合砌塊成型機(jī)振動系統(tǒng)理論，探究振動偏心塊運(yùn)動規(guī)律，采用正交試驗(yàn)設(shè)計，利用ANSYS軟件對零件進(jìn)行模態(tài)分析，經(jīng)過對試驗(yàn)結(jié)果的分析提出振動質(zhì)量較好的尺寸組合方案。與實(shí)際使用偏心塊相比，結(jié)構(gòu)更為簡單，工作中的最大應(yīng)力和變形有所減少，并節(jié)約了鋼材。

關(guān)鍵詞：振動偏心塊；正交試驗(yàn)設(shè)計；SolidWorks；ANSYS；模態(tài)分析

引言

混凝土砌塊成型機(jī)的振動系統(tǒng)主要由機(jī)架、振動發(fā)生器、振動載荷以及彈性元件構(gòu)成。這些構(gòu)件中振動器的工作原理就是離心力，利用偏心質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生波形離心力，使得系統(tǒng)被迫振動，將能量傳導(dǎo)給新拌混凝土，使得混凝土充分“液化”，迅速變得緊密、密實(shí)，達(dá)到成型效果。振動器的振動頻率、振幅及離心加速度的大小都會影響到混凝土砌塊成型的效果，加入成型機(jī)物料材質(zhì)的不同、大小的不同，需要對應(yīng)不同的振動頻率和振幅，這需要多次試驗(yàn)得出最佳的振動數(shù)據(jù)值。長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，垂直定向性的振動可以有效避免物料填充過程中的流動所產(chǎn)生的渦流，混凝土砌塊成型效率最高、質(zhì)量最好，所以，混凝土砌塊生產(chǎn)廠家所采用的振動器，偏心軸一般都是相向旋轉(zhuǎn)的，這樣可以使得離心力水平方向的分量相互抵消，垂直分量疊加驅(qū)動系統(tǒng)作簡諧振動。因此，偏心軸上的振動偏心塊結(jié)構(gòu)設(shè)計就尤為重要，該零件的三維圖如圖1所示,零件材質(zhì)為調(diào)質(zhì)鋼40Cr，設(shè)計上結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要尺寸為:A—偏心塊外徑;B—偏心距;C—偏心塊厚度(如圖2所示)。該如何合理地確定改進(jìn)后的尺寸呢?這是一個多因素的問題,因而可采用“正交試驗(yàn)設(shè)計”。試驗(yàn)設(shè)計方法是英國農(nóng)學(xué)家、遺傳學(xué)家、統(tǒng)計學(xué)家R.Fisher于20世紀(jì)20年代創(chuàng)立的,20世紀(jì)40年代末,日本的田口玄一提出了正交試驗(yàn)設(shè)計,1978年我國的方開泰和王元又提出了均勻試驗(yàn)設(shè)計方法。方開泰先生指出試驗(yàn)設(shè)計方法本質(zhì)上就是在試驗(yàn)空間范圍內(nèi)給出挑選代表點(diǎn)的方法。利用試驗(yàn)設(shè)計方法的目的是用較少的試驗(yàn)次數(shù)來獲得較多的信息量,以達(dá)到預(yù)測、控制和優(yōu)化的目的。下面就利用正交試驗(yàn)設(shè)計來尋求偏心塊零件改進(jìn)設(shè)計的優(yōu)化組合方案[1]。

1零件改進(jìn)設(shè)計優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

分析圖2零件各主要尺寸對零件受力大小的影響程度，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的目的。

1.2試驗(yàn)條件

利用ANSYS軟件對零件的三維模型進(jìn)行有限元模態(tài)分析，材料40Cr，單元類型10nodes187，彈性模量為2.06e+11N/m2，泊松比為0.29，質(zhì)量密度為7820kg/m3。

1.3試驗(yàn)因素

1.3.1可變因素選用三個可變因素：偏心塊外徑A；偏心距B；偏心塊厚度C。1.3.2可變的水平數(shù)每個因素分別取三個水平數(shù)。

1.3.3實(shí)驗(yàn)因素與水平為了研究偏心塊外徑、偏心距、偏心塊厚度對振動及自身應(yīng)力的影響，特安排了三因素三水平的正交試驗(yàn)[2]。將試驗(yàn)因素與水平列于表，水平尺寸的選取充分考慮到了零件在部件中的允許空間尺寸[3]。

2正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

選用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計,這樣僅需要進(jìn)行9次不同的計算,利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元模態(tài)分析求解，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果準(zhǔn)確可信,運(yùn)算速度快[3]，試驗(yàn)步驟如下：(1)利用SolidWorks建立三維模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析；(2)單元和常數(shù)設(shè)置，施加載荷、約束并劃分網(wǎng)格；(3)定義邊界條件并求解。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1試驗(yàn)結(jié)果振動偏心塊試驗(yàn)3模態(tài)分析前處理后三維模型圖（圖3所示），前十階固有頻率（表2所示），模態(tài)變形量圖(圖4所示)和Vonmises應(yīng)力分布圖(圖5所示)。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)結(jié)果采用正交設(shè)計助手分析得到前十階模態(tài)變形量結(jié)果分析（表4所示）和Vonmisesstress結(jié)果分析（表5所示）。由表2-5和圖3-5可以得出下述結(jié)論：(1)根據(jù)振動壓實(shí)理論，經(jīng)驗(yàn)顯示振動頻率在25Hz和名義振幅1mm時產(chǎn)生較好壓實(shí)效果[4]，從表2模態(tài)分析可知前三階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常工作頻率，滿足振動工作要求，在高階產(chǎn)生較大變形。(2)表3可知，第1次試驗(yàn)可以取得較小的模態(tài)變形和Vonmises應(yīng)力的組合方案（A=142，B=15，C=145），模態(tài)變形量為0.511638，Vonmises應(yīng)力為42.6GPa。利用正交試驗(yàn)方法，結(jié)果顯示試驗(yàn)方案因素主次順序是A>C>B，而Vonmises應(yīng)力分析可以清晰描述出一種結(jié)果在整個模型中的變化，從而使分析人員可以快速的確定模型中的最危險區(qū)域[5]。正交試驗(yàn)設(shè)計可以更好進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

結(jié)論

(1)研究出利用正交試驗(yàn)設(shè)計方法與SolidWorks、ANSYS相結(jié)合進(jìn)行慣性振動分析新方法。(2)該方法實(shí)現(xiàn)三維建模、有限元分析和正交試驗(yàn)設(shè)計的綜合，能較為準(zhǔn)確地預(yù)測振動偏心塊固有頻率和振型，并對結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。(3)該方法將振動系統(tǒng)分析時間降低在數(shù)小時內(nèi)完成，解決了用傳統(tǒng)方法一般需要幾月甚至更長時間的問題。(4)機(jī)械慣性振動具有隨機(jī)性，用有限元進(jìn)行線性穩(wěn)定性分析回答不了振動無限增大的限制因素，慣性振動的產(chǎn)生機(jī)理還需要做進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]金華,戴金海,陳琪鋒.基于回歸正交試驗(yàn)設(shè)計的彈翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].計算機(jī)仿真,2007(10):42-44.

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[4]張子強(qiáng),常焱.振動偏心輪結(jié)構(gòu)設(shè)計及其有限元分析[J].服裝學(xué)報,2011,10(5):573-577.

[5]李凌軒.CRH2-300型動車組M1車有限元分析及舒適性[D].東北大學(xué),2009.

作者：鐘明燈 單位：閩南理工學(xué)院