基于ANSYSWorkbench的管夹结构优化设计

摘要：分别利用 Ｐｒｏ／Ｅ 和 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件对管夹进行了三维实体建模与静态特性分析，并通过 形 状 优化分析对管夹进行了结构优化，不仅减少了管夹的质量，还提高了其强度，为管夹结构的改进提供了可靠 的参考依据。 关 键 词 ：ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ； 管 夹 ； 有 限 元 分 析 ； 优 化 设 计 中 图 分 类 号 ：ＴＨ３∶ＴＰ３９１．７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
［４］ 张向宇，熊计，好 锌，等．基 于 ＡＮＳＹＳ 的 立 柱 有 限 元 分 析 与结构优化 设 计 ［Ｊ］．机 械 科 学 与 技 术，２００８（１２）：１６０２－
１６０５．
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｕｂｅ Ｃｌｉｐ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ
第６期 （总第１６９期） ２０１１ 年 １２ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１１）０６－００２９－０２
Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．
基于 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的管夹结构优化设计
唐少林 ，卢晓兵
（三一重工 中源新材料有限公司，湖南 涟源 ４１７１００）
０ 引 言 我国经济的持续发展和国家对基础建设的大量投
入，使得泵送机械运用越来越广泛。泵送机械不仅能 提高生产 效 率， 降 低 成 本， 更 能 提 高 水 泥 浇 筑 的 质 量。管夹是泵送机械的一个重要的组成部分，它作为 管道与管道的连接件，其自身的重量、外形尺寸和结 构对整个泵送机械的技术性能和工作性能有着直接的 影响。因此，对管夹进行结构优化和性能改善有着重 要的现实意义。 １ 三 维 建 模
一副管 夹 由 单 耳 和 双 耳 两 部 分 组 成， 其 受 力 相 同，为了便于分析，本文只对双耳部分作分析。利用 Ｐｒｏ／Ｅ 三维软件建 立 的 管 夹 的 三 维 模 型 如 图 １ 所 示。 在 Ｐｒｏ／Ｅ 中 通 过 与 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 软 件 的 接 口 将管夹导入 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中 。 ［１］
图 １ 管 夹 三 维 模 型
采用 Ｓｏｌｉｄ１８７ 单 元 类 型 来 建 立 有 限 元 模 型。 选 用３５ 钢 材 料， 泊 松 比 μ＝０．３， 弹 性 模 量 Ｅ ＝２０６ ＧＰａ，密度ρ＝７ ８５０ｋｇ／ｍ３。将实体转 化 为 有 限 元 模 型后，利用软件默认的自由划分方法进行网格划分， 总共包含２１ ６４４ 个 节 点、１１ １６７ 个 单 元。 管 夹 有 限 元模型如图２所示。
图 ３ 管 夹 静 态 分 析 结 果
图 ４ 管 夹 优 化 云 图
由图４可知，管夹两耳处及外圆面存在较大的优 化空间，大部分的质量可以除去。因此，考虑减少两 耳处和外圆面的尺寸，设计了如下改进方案。
在保持管夹工作面尺寸 （即内圆尺寸）的前提下， 减少了两耳和外圆部分尺寸，增加了两条拉筋并改变 了拉筋的方向，优化后管夹的三维模型如图５所示。
收 稿 日 期 ：２０１１－０５－１７； 修 回 日 期 ：２０１１－０７－１１ 作者简介：唐少林（１９８５－），男，湖南株洲人，工程师，硕士，主要研究方向是 ＣＡＤ／ＣＡＭ 及先进制造技术。
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机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１１年第６期
都很小，完全能够满足其工作需求。 ３ 优 化 设 计 及 分 析
对管夹进行了结构优化分析，在满足管夹工作要求的
前提下，减轻了质量，减少了最大变形量和最大应力
值，从而提高了管夹的强度，为管夹的结构优化设计
提供了一种高效、可行的方法。
参考文献：
［１］ 谢志江，孙玉，李 诚，等．基 于 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的 搬 运 机 械 手 结 构 优 化 设 计 ［Ｊ］．机 械 与 电 子 ，２０１０（１）：６５－６７．
图 ２ 管 夹 有 限 元 模 型
２ 有 限 元 分 析 现将管 夹 移 动 到 最 前 端，并 对 其 进 行 静 力 分
析 。 ［２－４］ 在管夹两耳螺栓连接孔处施加固定约束，在管夹 上、下工作面上分别施加１０ ０００Ｎ 的力和１０ ０００Ｎ·ｍ 的扭矩，方向 分 别 垂 直 工 作 面 向 外， 分 析 结 果 如 图 ３ 所 示。在管夹 外 边 缘 处 有 最 大 变 形，最 大 值 为 ０．０１１ ５ ｍｍ，管夹内表面 和 拉 筋 处 有 最 大 节 点 应 力， 其 值 为 ３９．３５２ ＭＰａ，而 所 选 材 料 的 屈 服 极 限 为 ２０６ ＭＰａ， 远大于最大应力值。综上可知，管夹的应力及变形量
图 ５ 优 化 后 管 夹 的 三 维 模 型
图 ６ 优 化 后 管 夹 静 态 分 析 结 果 表 １ 优 化 方 案 与 原 方 案 特 性 比 较
结构类型
原方案 优化方案
最大变形量 ｍｍ
０．０１１ ５ ０．０１１ ０
最大应力值 ＭＰａ
３９．３５２ ３８．８４５
质量 ｋｇ １．９９ １．９４
ＴＡＮＧ Ｓｈａｏ－ｌｉｎ，ＬＵ Ｘｉａｏ－ｂｉｎｇ
（Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓａｎｙｉ Ｈｅａｖｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｌｉａｎｙｕａｎ ４１７１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ３Ｄｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｕｂｅ ｃｌｉｐ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ Ｐｒｏ／Ｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ Ｐｒｏ／Ｅ ａｎｄ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｕｂｅ ｃｌｉｐ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｃｌｉｐ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｃｌｉｐ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｕｂｅ ｃｌｉｐｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ；ｔｕｂｅ ｃｌｉｐ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ
［２］ 吴兆东，马星国，尤 小 梅，等．基 于 ＡＮＳＹＳ 的 某 履 带 板 式 装甲车悬挂装置的模态分析与改进设计 ［Ｊ］．沈阳理工大 学 学 报 ，２００８（４）：８０－８３．
［３］ 高东强，田振亚，郝 大 建，等．基 于 ＡＮＳＹＳ 的 丝 杠 动 态 特 性 分 析 研 究 ［Ｊ］．起 重 运 输 机 械 ，２００８（１１）：５４－５７．
应用 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的 Ｓｈａｐｅ Ｆｉｎｄｅｒ功 能， 将目标参数 定 为 质 量 减 少 ３０％， 得 到 如 图 ４ 所 示 管 夹的优化云图。
对优化后的管夹施加与原模型相同的载荷进行了 静力分析，结果如图６所示，得到了最大变形量和最 大 应 力 值 ， 其 与 原 方 案 的 对 比 见 表 ｍ， 最 大 应 力 减 少 了 ０．５０７ ＭＰａ， 质 量 也
减少了０．０５ｋｇ，由此 可 知， 优 化 后 管 夹 的 质 量 得 到
了减轻，且结构的静态性能也得到了改善。
４ 结 束 语 通过 ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 的 Ｓｈａｐｅ Ｆｉｎｄｅｒ模 块，