基于ANSYS+Workbench的钢模台车门架拓扑优化方法.pdf
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2009年第7期设计与研究文章编号:
10012265(2009)070023一04基于ANSYSWorkbench的钢模台车门架拓扑优化方法曾祥亮肖露(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌44300)摘要:
分析了三峡大坝右岸地下电站尾水洞钢模台车的门架的约束和载荷。
以台车的门架为例。
进行了基于ANSYSWorkbench的三维结构拓扑优化探讨。
分析了其优缺点,提出了改变基体形状的方法,最终得到了较为合理的优化方案。
关键词:
钢模台车;有限元分析;拓扑优化;ANSYSWorkbench中图分类号:
TV53;THl23文献标识码:
ASteelMoldTrolleyGantryTopologyOptimizingBasedonANSYSWorkbenchZENGXiangliangXIAOLu(ChinaThreeGorgesUniversity,YichangHubei443002,China)Abstract:
StudiestheloadsandtheconstraintconditionsofthegantryofthesteelmoldtrolleythatisusedinthetailchannelofSanXiaundergroundpowerstationTothegantryforexample,totheANSYSWorkbench。
basedtopologyoptimizationofthreedimensionalstructureAnalyzedtheadvantagesanddisadvantagesMaltrixbychangingtheshape,eventuallytobeamorereasonableoptimizationprogramKeywords:
steeltrolley;finiteelementanalysis;topologyoptimizing;ANSYSworkbenchl台车简介罐蛾。
蓬o拜翻K,N、兰。
_-_am力气,。
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,。
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气、,。
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一气匕一高l-15(】()0一水泥的侧压力”】。
当浇注厚度为22米时分别为:
垂直方向:
2210215571245=856t,水平方向:
20231024606=9504310e6N=950t。
千斤顶作用于门架上的力分别F。
和F:
。
如图2。
其中,:
=95048等于侧压力除以千斤顶的数目。
F,为顶模板上方水泥的重力加上顶模板自重除以千斤顶的数目。
顶模板自重约为140t,所以F,=99618=553t。
FtF、F、F、F、l强lF、F、1i1。
_-。
_兄兄B兄兄B兄如底粱。
图2门架受力简图收稿日期:
20090508作者简介:
曾祥亮(1966一),男,湖北洪湖人,=三峡大学机械与材料学院讲师,主要研究方向为机械设计与制造,(Email)zengxletgueducn。
23万方数据设计与研究组合机床与自动化加工技术=:
=:
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=:
=3拓扑优化理论基础结构优化包括三个层次:
结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化1。
通常把在给定设计空间、支撑条件、连接方式、结构内有无孔洞、载荷条件和某些工艺设计等要求下,确定结构构件的相互连孑L洞的数量、位置等拓扑形式,使结构能将外载荷传递到支座,同时使结构的某种形态指标达到最优,这个过程称为拓扑优化(TopologyOptimization)】。
根据优化的对象不同,结构拓扑优化可分为两类:
一种是连续体结构的拓扑优化(ContinuumTopologyOptimization),该方法主要是确定优化对象内部有无孑L洞及孔洞的大小、形状和形状等;另一种以桁架为代表的离散结构拓扑优化(TrussTopologyOptimi-zation),该方法主要是确定优化对象的节点间单元的相互连接方式,同时也包括节点的删除与增加。
针对连续体拓扑优化,目前有变厚度法、均匀化理论和变密度法等诸多理论。
ANSYS拓扑优化采用的是变密度法的数学模型。
变密度法是人为的假定材料的宏观物理常数与其密度田;间具有非线性关系。
将连续体离散为有限元模型后,将每个单元内的密度指定为相同,以每个单元的密度为设计变量,以结构的柔顺度最小为目标,考虑材料质量约束(或体积约束)和平衡条件。
假定密度与材料特性的非线性关系为:
E嚣式中0下标代表实际使用材料的材料特性,叼i,i=l,2,3,n为单元的伪密度,取01之间的值,a1。
E=田4假定了材料的弹性模量E与材料密度p之间的关系,通过引入了惩罚因子a对材料中间密度进行惩罚,使中间密度值向01两端聚集。
变密度法数学模型如下:
Find叼=(田l。
叼2,田。
)minc。
mpli口唧2;肛。
加+;扣SWeight=一田。
(1一)占田j1(i=1,2,n)可。
=1(i=JI,J2,J)结构平衡方程式中Z、t;分别为作用在初始结构上的体积力和面积力,p。
为单元的变形值,为给定初始结构材料质量的上限,为优化时指定去除质量的百分比,F为密度24下限,。
,:
,以为优化后单元密度保持不变,即为伪密度仍为1的单元号。
4f-1架拓扑优化过程ANSYSWorkbench环境下拓扑优化过程如图3所示。
DesignModeler中或者其它三维软件中Simulation中Simulation中Simulation中图3拓扑优化过程41建立基体模型门架基体以门架外框围成的矩形为依据建立模型,并在模型底部去除一等腰梯形区域,即留出一泵车作业空间。
在此基体上加上多个面积小且很薄的凸台,以便于在ANSYSWorkbench中加上载荷和约束。
门架前后是对称的三榀,所以只选前三榀作为一体分析。
在ProE中建立这样的实体较方便,只需拉伸工具重复几次即可。
在ProE中建好,并导入ANSYSWorkbench中的Simulation模块后的实体见图4。
基体的体积为73115m3,质量为57395e+006kg。
图4优化前的门架基体模型42定义拓扑优化参数在Simulation模块中定义拓扑优化问题比较简单,与一般结构静力问题求解类似。
需划分网格、施加约束和载荷。
然后选择形状优化工具即可。
ANSYSWorkbench网格划分可分为系统智能划分和人工选择划分两种。
本次划分在系统智能划分的基础上对关心的地方加人工选择方式中的Refinement。
最终网格划万方数据2009年第7期设计与研究分后节点数(Nodes)为246219;单元数(Elements)为163033。
形状优化T具中去除率为02。
最大可调整到09。
考虑到门架可能的重量与基体重量的比值很小,选取最大的去除率09。
图5为所加载荷与约束,图6为划分网格后的实体。
图5载荷与约束图6网格划分结果43f-1架拓扑优化结果分析处理在经历约一个半小时的运算后,可得到如图7的优化图形。
从图中可以看出,中间很多受力点已成孤岛,显然不合理。
这说明不加限制条件的三维拓扑优化有可能得不到正确的方案。
限制条件有两种方法:
其一是在初始基体上去除不想要的地方,如上述基体底部的梯形空缺;其二是在初始基体上指定不优化区域。
第二种方法在Simulation中并没有直接的方法。
但在有载荷、约束、接触的面积处是默认的不优化区域。
基于这种思想,改变基体为多块板组装而成。
这样既去掉中间很多不需要的地方,又形成了较多的接触面积(不优化区域)。
在ProE中重新建模,导入到Simulation中。
隐藏前面板可见模型内部的情况,见图8。
重新加载、加约束,划分网格,定义优化率。
求解后的结果如图9。
从图形看,拓扑优化的结果基本合图7第一次优化后的形状图8隐藏前面板后的模型理。
考虑到压杆稳定性和长细比要求(对于Q235钢材,长细比一般控制在50150之间),因此需增加一些小立柱和斜拉杆。
这样适当的修改后桁架布置方案如图10。
相比如图ll的原方案更加合理。
图12优化后门架的应力云图,图13原方案门架的应力云图。
对比可知最大应力从85752MPa变成63284MPa,减少了262。
可见拓扑优化效果较明显。
图9第二次优化后的形状?
V心V。
A入八7lN、1i_图10拓扑优化后方案图1l拓扑优化前方案25万方数据设计与研究组合机床与自动化加工技术图12优化后门架的应力云图5结束语ANSYSWorkbench能快速地定义三维拓扑优化环境。
但不加限制条件的三维拓扑优化有可能得不到正确的方案。
加上限制条件的方法有两种:
其一是在初始基体上去除不想要的地方;其二是在初始基体上指定不优化区域。
三维实体拓扑优化采用恰当的方法可以得到合理解。
拓扑优化结果往往需要进行修改才能实用。
优化后最大应力减少了262,拓扑优化效果较明显。
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lo12(编辑李秀敏)万方数据基于ANSYSWorkbench的钢模台车门架拓扑优化方法基于ANSYSWorkbench的钢模台车门架拓扑优化方法作者:
曾祥亮,肖露,ZENGXiang-liang,XIAOLu作者单位:
三峡大学,机械与材料学院,湖北,宜昌,44300刊名:
组合机床与自动化加工技术英文刊名:
MODULARMACHINETOOL&AUTOMATICMANUFACTURINGTECHNIQUE年,卷(期):
2009,(7)引用次数:
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