机械设备文章编号:1009 6825(2010)21 0343 03基于ANSYS 的质量质心测量装置定位结构优化设计收稿日期:2010 03 15作者简介:李 伟(1978 ),男,中国工程物理研究院总体工程研究所固体力学专业硕士研究生,四川绵阳 621900郝志明(1965 ),男,研究员,中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621900李 伟 郝志明摘 要:针对某质量质心测量装置的定位结构设计,利用A NSYS 软件的APDL 参数化有限元分析技术,对定位结构进行参数化建模与分析,获得了优化的截面和尺寸,使结构在刚度满足要求的情况下,重量大幅度下降。
关键词:结构优化设计,APDL ,定位结构,有限元分析中图分类号:T U 318文献标识码:A1 概述某质量质心测量装置是产品测试的一种重要设备,其测量精度对产品检测有较大影响,是产品检测过程中较为关键的测试设备之一。
在使用过程中发现该装置的定位结构设计存在刚度不满足使用要求的问题,致使定位结构在测量过程中因受力而产生较大变形,影响测量精度(如图1所示)。
合理优化定位结构的外形,减轻其重量,可有效解决该装置定位结构刚度不足引起的测量精度不高的问题。
本文先采用类比经验和传统材料力学作初步设计,选择矩形为零件的初始截面形状,然后对理论计算难以做到的挠度和应力分布利用A NSYS 软件的A PDL 语言进行参数化有限元分析和结构优化设计,建立结构的参数化有限元模型。
考虑接触非线性因素,创建参数化的分析流程,生成参数化分析宏文件。
应用A N SYS 中的优化分析模块,以结构的截面尺寸作为设计变量,以结构加,当进行后行洞下台阶施工时,其拱顶沉降突然增大,表明侧壁导坑的支护不能阻止围岩的变形,当进行中导坑上台阶施工时,其拱顶沉降比以前施工步大出104倍,即趋于无穷,表明隧道已失稳,发生塌方事故。
因此,在隧道施工中,应对围岩进行更强的超前支护,改善围岩的力学参数和加强洞内支护结构,使其在后行洞施工以及以后的施工能保证隧道的施工安全。
3.2 应力分析同理,根据以上模型,可计算出该隧道施工至后行洞时的应力分布图。
由计算结果可知,当施工至后行导坑时,围岩的屈服应力最大为1.98M Pa,位于中导坑侧部。
由于隧道位于硬塑土和软土中,由以上岩体力学计算参数可知,岩体的屈服应力为1.2M Pa,因此,围岩将发生大变形破坏,岩层被拉裂分开,中岩柱破坏,从而导致隧道顶部和侧部塌方事故的产生。
根据计算结果显示,在隧道施工中,应加强侧壁和临时支护措施。
4 加固措施1)在右侧壁加强锁脚锚杆和锁脚注浆小导管支护,对基底作换填1m 的处理,并及早浇筑仰拱,使初期支护成环。
2)采取加临时护拱喷射混凝土支撑措施,并及早浇筑仰拱与仰拱回填的方法给予改善该段隧道不利的受力情况。
3)临时护拱采用20b 工字钢,起拱于一侧仰拱与拱墙交接处,沿初支钢支撑环行,并与其焊接经拱顶达另一侧仰拱与拱墙交接处,并且护拱钢支撑间沿隧道纵向用 25螺纹钢焊接相连,护拱钢支撑内喷满混凝土。
当采用以上加固措施后,有效的防止了围岩大变形破坏,保证了工程施工的顺利进行。
现在隧道已经成功通过该段,并且通过监测发现,围岩变形已稳定,说明采用的支护措施是合理、安全的。
5 结语通过本文的计算分析,可以得到以下几点结论:1)隧道开挖至后行洞时,围岩已屈服,在重力作用下,支护结构已不能维持围岩应力的平衡,从而发生塌方事故。
2)计算结果表明,隧道开挖至后行洞时,围岩竖向位移达到20.7cm,这与实际监测的最大位移量是基本吻合的,同时也说明计算模型符合实际的地质情况,计算的结果是合理、可信的。
发生如此大的位移量,意味着围岩将发生失稳破坏,并且已超过其预留变形量,这也和实际施工情况是一致的。
3)根据设计资料和数值分析的结果,结合其他类似工程的经验,得到了回龙山隧道的加固支护措施。
现在隧道已成功通过该段的施工,并且变形已稳定,表明加固支护措施是合理、安全的。
参考文献:[1] JT G D70 2004,公路隧道设计规范[S].[2] 徐芝伦.弹性力学[M].第3版.北京:高等教育出版社,2003.[3] 胡达远.隧道工程浅埋暗挖法的施工技术[J].山西建筑,2008,34(18):331 332.O n analysis of large deformation ofthree lane road tunnel construction in shallow covered slopeLI ZhuAbstract:By using M IDAS GT S finite elementary analysis software,the paper has the numer ical simulation for t he shallow section s construc tion of t he tunnel s exits,analyzes the sur rounding rock damag es from the displacement and stress aspects,and points out the surrounding sup po rt measures according to the analysis results,so as to lay the foundation for ensuring the smooth tunnel construction.Key words:three lane tunnel,shallow covered slope,finite element,large deformation343第36卷第21期2010年7月 山西建筑SHANXI ARCH ITECTUREVol.36No.21Jul. 2010静态载荷下的许用应力和挠度作为状态变量,以结构的总重量作为目标函数进行优化,以期达到最佳的设计目标。
2 基于ANSYS 的APDL 语言优化设计概念[2]A NSYS 是一种运用广泛的通用有限元分析软件,其实现有限元分析的过程包括:建立分析模型并施加边界条件、求解计算和后处理三个步骤。
A NSYS 基于有限元分析的优化设计技术就是在满足设计要求的条件下搜索最优设计方案。
A PDL 即A NSYS 参数化设计语言,是一种通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言,用建立智能化分析的手段为用户提供了自动完成有限元分析过程的功能,即程序的输入可设定为根据制定的函数、变量以及选用的分析标准来决定。
AP DL 提供一般程序语言的功能,如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问AN SY S 有限元数据库等。
利用APDL 的程序语言与宏技术组织管理AN SY S 的有限元分析命令,即可实现参数化建模、施加参数化载荷并求解以及参数化后处理结果的显示,从而实现参数化有限元分析的全过程。
在参数化的分析过程中,可以修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案,而优化设计则是寻找并确定最优设计方案。
3 定位结构的优化数学模型3.1 受力分析如图1所示,质量质心测量装置定位结构的滑套通过螺栓固定于该装置上,定位轴位于滑套中,可在滑套中滑动或通过锁紧螺钉固定来调节其长度以适应不同检测尺寸要求,定位轴顶端装有压力轴承,通过压力轴承与被测产品接触实现被测产品的定位和防滑。
定位结构工作时,压力轴承与被测物体接触受压,压力再由压力轴承传递给定位轴,定位轴因受力而产生弯曲变形。
定位轴调节到最大长度时其抗弯刚度最小,在相同压力条件下其变形最大。
3.2 设计要求1)合理选取定位轴的截面形状,应在满足受力的条件下,选最经济的截面尺寸;2)定位轴顶端受最大载荷时的挠度应小于许用挠度[Y b ];3)最大挠度时的应力应小于许用应力[ ]。
根据设计要求建立定位结构的结构优化数学模型:目标函数:W t =min F(X ),X =(A ,B)T。
状态变量: max ![ ],Y max ![Y b ]。
设计变量:10!A !100,10!B !100。
其中,F(X )为结构的重量;X =(A ,B )T 为结构的截面尺寸。
许用应力[ ]=250M Pa,许用挠度[Y b ]=2mm,材料的杨氏模量E =2.0e11Pa,泊松比 =0.3。
4 基于ANSYS 的APDL 语言定位结构优化设计过程4.1 创建分析文件1)参数化建模。
本文的定位结构模型省去了定位轴顶端的压力轴承和滑套上的螺栓孔,以定位轴调节到最大长度600mm 的状态来建立有限元模型。
根据结构实际需要并考虑加工成本,选取定位轴截面形状为矩形,利用A PDL 语言进行参数化建模。
选取定位轴初始截面尺寸:长度A =60mm,宽度B =40mm 。
采用自顶向下的方法,通过布尔运算建立几何模型,如图2所示。
2)网格划分。
根据该结构实际情况,选用Solid45单元对模型进行网格划分,划分之后实体单元总数为10005。
3)定义三维接触单元。
将定位轴和滑套工作时互相接触的两个面中面积较大者作为目标面,另一面定义为接触面,目标面单元采用Contact170,空间接触单元采用Contact174。
每个接触对定义唯一的实常数号,每个实常数号里使用实常参数控制接触单元的接触行为。
4)施加约束与载荷并进行求解。
在滑套的两固定板内侧施加固定约束,使其各方向的位移为零;在定位轴顶端侧面施加X 方向正压载荷。
定义分析类型和分析选项,完成有限元计算,得到初始数据结果。
5)提取参数化结果。
进入AN SYS 的后处理模块,提取结果并给相应的参数赋值,这些参数一般为状态变量和目标函数。
对于定位结构的优化问题,选择结构的总重量为目标函数,状态变量选择结构最大挠度和应力。
6)生成分析文件。
A NSYS 程序运用分析文件构造循环文件进行循环分析,因此分析文件生成A NSYS 优化设计的关键部分。
完成上述基本工作后,进行存盘完成分析文件的生成。
4.2 构建优化控制过程1)进入优化设计模块。
进入优化设计处理器中(OPT ),指定优化分析文件,该文件用于生成优化循环文件。
2)声明优化变量。
指定定位轴截面尺寸参数为设计变量,结构最大挠度参数和最大应力参数为状态变量,结构重量为目标函数。
3)选择优化方法和工具。
本文先用子问题法对结构进行优化迭代,即按照单一步长在每次计算后将设计变量在允许变化范围内加以改变。
之后,在子问题优化的基础上选择扫描法进行第二次优化[2],即以一个参考设计序列为起点,按照单一步长在每次计算后将设计变量在变化范围内加以改变,从而获得多个设计序列。
4)指定优化循环控制方式。
每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数,例如最大迭代次数等参数。
