垃圾压缩站箱体结构的荷载分析及轻量化设计

垃圾压缩站箱体结构的荷载分析及轻量化设计

李昂;刘初升

【摘要】This paper presented the load distribution of the garbage compression station boxes by the stress-strain tests.The commercial software Hyperstudy was used to simulate the load distribu-tion functions,and the functions which best matched with the experimental results were utilized as the boundary conditions of

optimization.Simultaneously,the super element (SE)algorithm was in-troduced herein to reduce the complex structures,which might greatly improve the computational ef-ficiency.Finally,the effectiveness of SE technology was validated by comparisons of traditional meth-od and SE one.%通过对垃圾压缩站箱体进行应力应变测试,获得了箱体在工作过程中的荷载分布形式.采用Hyperstudy对曲线进行拟合筛选,得到与试验结果最匹配的荷载分布函数,并作为箱体优化分析的边界条件.同时引入超单元技术对模型进行简化处理,使得模型的优化效率得到了大幅度提高.传统优化算法与超单元算法的对比验证了采用超单元技术处理复杂模型的有效性.

【期刊名称】《中国机械工程》

【年(卷),期】2017(028)017

【总页数】7页(P2124-2130)

【关键词】垃圾压缩站;荷载分布;超单元;拓扑优化;轻量化设计

【作者】李昂;刘初升

【作者单位】中国矿业大学机电工程学院,徐州,221000;中国矿业大学机电工程学院,徐州,221000

【正文语种】中文

【中图分类】TH218

随着城镇化建设进程的不断推进，城市生活垃圾每年也在大量增长，如何合理地收集和处理生活垃圾成为了当前的研究热点[1]。地埋升降式垃圾压缩站(以下简称“垃圾压缩站”)的出现很好地解决了生活垃圾的收集和处理问题，其工作原理是：收集生活垃圾后，利用压缩装置进行强力压缩减容，将低密度的城市生活垃圾压缩成高密度的垃圾块，最后通过专用的垃圾运输车辆将处理后的垃圾运送至垃圾处理厂。由于大部分垃圾压缩站在设计时，边界条件的选取通常都是依照经验取值，导致垃圾压缩站整体结构的质量过大，生产成本较高，因此，迫切需要对其结构进行优化设计，找到一种最合理的材料分布形式，以达到在保证结构性能的同时，减小质量的目的。目前国内已有不少学者针对垃圾处理设备的优化设计展开了研究工作，并取得了相应成果[2-3]。

本文主要是针对垃圾压缩站箱体(以下简称箱体)进行拓扑优化和轻量化设计。要对箱体进行优化设计，必须清楚箱体结构在压缩过程中所受荷载的分布情况，这些荷载是由垃圾被压缩时对结构的作用力产生的。而压缩垃圾是一种力学性质很不稳定的物质，目前对压缩垃圾力学性质及其对箱体作用荷载的研究成果尚不成熟，还无法应用到实际的结构设计当中。本文为了准确确定箱体在压缩过程中所受的荷载分布，采用试验的方法，在箱体侧板上大量安装应力应变采集装置，根据试验得到的应变数据，拟合箱体侧板不同高度区域的荷载分布数学表达式，再利用专业软件Hyperstudy获取一个合理的表达式系数范围，通过对比不同系数下的模拟曲线和试验曲线，得到最终的荷载分布表达式。在拓扑优化阶段通过引入超单元技术，对

复杂模型进行简化处理以提高计算效率，然后通过比较模型的传统有限元分析过程和超单元算法的过程，验证利用超单元技术处理复杂模型的可行性。

垃圾压缩站的现场照片如图1所示。垃圾在压缩站内被压缩过程中，由于箱体埋于地下，四周受到地下墙面的约束，故箱体有着较好的抗变形能力。

本文所研究的垃圾压缩站型号为YJC40B，该产品由国内某知名企业制造。如图2所示，箱体采用对称设计，相对于ZY面对称。箱体结构所选材料主要为Q235，材料的属性如表1所示，整个箱体的质量是5.632 t，减重目标是质量减小超过20%。

压缩垃圾站通过加压的方式对垃圾进行集中压缩成块处理，外力经过垃圾传递给箱体，箱体所承受的荷载来自压缩垃圾所产生的张力。垃圾站在工作过程中，主要由压缩油缸提供压缩力，通过压头将松散垃圾压缩成块，垃圾被压缩时产生的荷载主要由垃圾站箱体各个壁板、推板、中门、前门等承受。为了对垃圾压缩站箱体结构进行优化设计，必须得到箱体内壁的荷载分布规律，从而得到箱体内载荷随节点位置变化的函数关系。为此，首先需要通过试验的方式，得到箱体在垃圾压缩过程中所受荷载的分布特点，再结合试验曲线，利用有限元软件进行仿真计算，得到最接近试验曲线的荷载分布函数，并将该函数作为优化计算的边界条件，最终获得一个最优的材料分布形式。

2.1 荷载分布测试

为了获取箱体侧板在垃圾压缩过程中的荷载分布特点，首先在垃圾压缩站箱体侧板上均匀布置安装应力应变测试装置，如图3所示，现场试验在江苏省某垃圾中转站进行，试验周期为15天，每天测试2次，试验工况均为垃圾中转站每天的实际工作工况。图4为试验测点的应力分布曲线，该曲线数值为30次试验中有效数值的平均值，图4的横坐标代表测点编号，分别对应图3上的各个测点。从该曲线可以明显看出，侧板上的荷载分布只与该位置的竖向坐标相关，垃圾本身的自重对

该荷载的影响作用非常小。因此可以发现在压头附近位置，侧板受到的荷载作用最大，在远离压头位置，由于垃圾与侧板的摩擦作用，荷载对侧板的作用效果降低，垃圾自重对侧板的作用力增大，此时的荷载分布规律又趋近于文献[3]的结论。

为了进一步获得箱体侧板在垃圾压缩过程中所受荷载在竖向位置的分布规律，本文在之前的试验基础上，增加了箱体竖向位置的测点数量，如图5所示。在原有的

模型结构上，在箱体侧板的竖向位置安装16个应变采集装置，横向槽钢上方的8

个采集装置间隔60 mm，下方的8个采集装置间隔80 mm。应力应变测试结果

如图6所示。

2.2 定义荷载分布函数

图6所示的荷载分布曲线可以看作由三部分组成，相应的函数表达式设为

式中,p为箱体侧壁所受荷载；y为竖向坐标值，a、b为系数，l为常数项，下标1、2、3分别对应图6所示的Part1、Part2和Part3三个部分。

引入商业软件Hyperstudy计算式(1)中各系数，计算流程如图7所示。

参数的主要计算过程可以总结如下：

(1)在Hyperstudy软件中创建基本参数输入模板，这一阶段的主要任务是输入侧

板模型并且定义参数的取值范围。

(2)导入曲线筛选的文本模板。本次优化工作的目标是找到一个最优的参数，使得

仿真得到的应变曲线与试验测得的曲线最匹配，即曲线误差最小。

(3)执行study setup，然后创建和定义目标响应，使得利用Radioss计算得到的

应力-应变曲线能够匹配试验曲线。最后运行优化运算，得到最终的参数计算结果。式(1)中各个参数的优化迭代历史如图8所示，其中迭代历史曲线部分的纵坐标代

表应变曲线与试验曲线的误差绝对值。

如图9所示，垃圾压缩站箱体模型由Hypermesh建立，整个模型包含3 764

558个实体单元。在箱体的底面施加全自由度约束，箱体的盖板部分由REB2单元