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基于虚拟样机技术的大型空间刚架结构参数优化与试验对比
发表时间:2007-2-2 太原理工大学机械工程学院 王学文 杨兆建   来源:e-works
关键字:虚拟样机 仿真 ANSYS 
为了对某型号大型电除尘器空间机械刚架进行结构参数优化,讨论了其基于虚拟样机技术的优化过程模型;在ANSYS软件平台上,利用基于Fortran语言的ANSYS二次开发语言APDL建立了空间结构虚拟样机可重用三维参数化数字化模型,完成了结构虚拟强度仿真分析;基于分析结果,建立了优化数学模型,完成了结构参数优化,优化程序有良好的通用性和可移植性;针对优化后的结构,设计加工了一个试验台,进行了强度应力试验,并和虚拟试验进行了数值对比,验证了优化结构的合理性,分析对比认为虚拟仿真数据结果可信;在此基础上,讨论了虚拟样机技术的工程应用意义。

    3.2 边界条件总述
    刚架结构承受各种负载:自重、电除尘器内部构件重、极板积灰重、屋面活载、保温层、负压、风载、雪载、灰载以及温度载荷等。
    自重由程序施加惯性载荷保证,通过指定材料密度(表1)和定义结构的线性加速度实现;构件重(如灰斗、楼梯、管路、法兰等等)按载荷传递关系进行适当简化(略);风载和内部压强简化为侧向均布载荷;雪载简化为竖向载荷;该电除尘器工作状态处于中温环境(150℃~200℃)[4],施加体载荷200℃。ANSYS程序在处理载荷时,将把模型上的各种载荷自动转化为等效节点和单元承载。
    壳体(底梁以上部分)与底梁采用一点刚性连接,其余为多滚珠轴承连接,支架体与地面基本为刚性连接,虚拟模型对其进行相应处理。
    3.3 模型特点
    仿真模型网格化以后,有以下特点:结构复杂,模型大(模型重量达到72.3441090吨,自由度58902);载荷复杂、数值大、单元和节点数量大,网格形式复杂,模型数据文件占用计算机空间大;模型建模相对复杂。
    通过ANSYS模型检查,简化基本合理,较真实地反映了某型号电除尘器主体空间刚架设计和载荷条件原貌,可对其进行数学模拟。
    3.4 结果整理与讨论

    由表2、3可知,最大应力结果都远小于该材料各项力学性能(表1)。

    式1所表示的应力强度σI计算公式兼顾了中间主应力σ2的影响,该式一定程度上修正了第三强度理论中由于忽略了σ2导致的误差。
    式2是第四强度理论的一个经典表达式,即在满足式2条件下,材料由于形状改变比能( ,单元体因形状改变而储存的比能)达到极限值而发生屈服。显然,该结构强度储备良好。
    图3为VonMises应力分布云图,图中显示,VonMises应力分布总体比较均匀,三根大梁腹板部位和屋面板、侧墙板应力较小,立柱、柱支撑和支架体部分应力相对较大,底梁部分结构坚固,总体应力变化均匀且应力值很小,其余部分应力变化均匀。应力最大值在正Z向一侧立柱和柱支撑连接部位,由于立柱狭长,并承上启下,总体受力为±X向向外拉伸弯曲状态,变形中受到柱支撑强制约束。
    分析结果表明,该结构形式合理,载荷传递顺畅,应力分布均匀,强度储备良好,工作状态安全,但材料使用浪费,有必要对其进行优化设计,以获得更加合理的结构参数。

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责任编辑:李翔