基于ANSYS软件的工程机械轮胎后充气装置机架的轻量化研究

廖桂松，沈中华，曹卫华，丛静波，3

（1.桂林技师学院，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学，广西 桂林 541004；3.华侨大学，福建 泉州 362021）

目前，我国工业机械设备的钢结构设计理论偏于保守，设计者一般根据经验确定钢结构参数，易造成机械设备设计阶段所选取的安全因数过大，导致机械设备自身质量过大，从而造成钢结构耗材增多和生产成本增大，提高了机械设备运输及安装难度[1-4]。

工程机械轮胎后充气装置是轮胎工业中常用的机械设备，是生产尼龙帘布轮胎不可缺少的装置。由于工程机械轮胎后充气装置需要灵活布置在轮胎硫化机附近，且有时会根据工艺变化而改变位置，这就要求装置自身质量不能过大。

现有某公司生产的工程机械轮胎后充气装置机架（以下简称机架）由于设计的安全因数过大，结构笨重，机架质量在整机质量中占比较大，故需要对机架进行轻量化设计。本工作采用三维建模软件SolidWorks对机架进行参数化建模，并将模型导入到ANSYS Workbench软件中对机架模型进行有限元分析及优化设计[5]，从而使机架总体质量减小。

1 有限元模型

1.1 三维模型

通过SolidWorks软件对机架进行参数化建模。机架整体尺寸为1 889 mm×2 200 mm×1 200 mm，主要包括底座、立柱、横梁、轴套安装板、轮毂圆盘安装板、加强板等构件。其中，底座由槽钢焊接构成，立柱和横梁均由矩形钢管构成，轴套安装板、轮毂圆盘安装板和加强板均由钢板构成。根据机架结构特点以及计算效率和准确性要求，机架参数化建模时忽略一些附属部件、焊点和倒角等对机架整体力学性能影响较小的几何组件，将机架看成一个刚性连接体[6]，其材料为Q235结构钢，材料参数如下：密度 7.85 Mg·m-3，弹性模量 210 GPa，泊松比 0.3，屈服极限（σs）235 MPa。机架三维模型如图1所示。

图1 机架三维模型Fig.1 Three-dimensional model of frame

1.2 有限元模型

将参数化的机架三维模型导入ANSYS Workbench软件进行有限元网格划分。网格划分相关参数设置如下：网格相关度值 100，关联性中心 细化，网格平滑度 高，过渡 慢速，跨度中心角 细化，网格最小尺寸 5 mm。为提高网格质量，对受力较大的边界进行了网格（四面体网格）细分，模型共有884 521个节点，583 254个单元[7-8]。机架有限元模型如图2所示。

验证试验过程如下：根据有限元静力学分析结果，在应变较大且易于测试的部位中选择6个测量点，这6个测量点分布如图4所示。

图2 机架有限元模型Fig.2 Finite element model of frame

2 静力学分析

2.1 负荷与约束处理

2.1.1 负荷

机架自身质量通过设置材料属性自动添加，其主要受力部件为左右两端的立柱，当轮胎充气压力达到设定值时，立柱压力达到峰值（为137.2 kN），此时轮胎后充气装置达到满载工况。左侧立柱压力通过限位装置传导，右侧立柱压力通过轮毂圆盘定位装置传导。右侧轮毂圆盘安装板上有4个螺栓孔，孔上主要承受轮毂圆盘（质量为116.83 kg）和轮胎（质量为200 kg）重力。

2.1.2 约束

对机架进行静力学分析时，如果对结构不能准确施加约束，将导致结构局部过刚或者计算不收敛，最终影响计算结果的准确性[6]。由于本工作机架底座通过螺栓与地面连接，故将底座底面设置为固定约束。

2.2 结构模型有限元分析

在满载工况下，机架应力和应变分布见图3。

图3 机架应力和应变分布Fig.3 Stress and strain distributions of frame

从图3可以看出：满载工况下机架最大等效应力（σmax）和最大等效应变（εmax）均位于轮毂圆盘安装板上的螺栓孔附近；机架结构强度和刚度存在较大盈余。同时，满载工况下机架最大位移（dmax）位于轴套安装板附近。

3 试验验证

验证试验原理如下：测得机架上部分点的应变并与有限元静力学仿真的对应应变进行比对，以验证机架有限元静力学分析的正确性，为后续机架轻量化设计提供正确的有限元模型。验证试验工况与有限元静力学分析工况一致。

施加到机架上的负荷主要是轮胎充气后膨胀产生的压力负荷，并且负荷最大位移方向垂直于立柱方向。为确保机架刚性和安全性，机架在工作过程中产生的dmax必须在安全范围内，故最大位移约束函数[dmax（x）]≤d（d为机架许用位移，本工作d为2 mm）。

在切削加工过程中，刀具的前后刀面及刃口会发生磨损，刀杆受力会发生变形。刀具的磨损和变形会对工件的加工精度、表面质量产生直接影响，有时会引起加工超差和废品率上升。刀具磨损检测传统上采用离线方式检测，不仅影响加工效率，还由于需要重新对刀容易引起接刀误差。本文提出一种便携式低成本的刀具磨损在位检测方法，如图10所示。

（3）政府监管主要是将开展绿色生产模式的企业及金融机构的利率优惠程度作为监管的出发点。政府监管部门对金融机构的监管受企业开展绿色化生产模式技术创新资金缺口、非优惠利率和优惠利率的影响较大，而受自身监管成本的影响较小。

图4 6个测量点分布Fig.4 Distributions of six measurement points

对形状优化后的机架进行有限元静力学分析，其应力分布如图6所示。

表1 6个测量点应变测量结果与仿真结果的对比Tab.1 Comparison of test results and simulation results of strains of six measuring points

从表1可以看出，测量点5应变测量值具有较大的误差。造成这种现象的原因是：机架参数化建模时忽略了一些小部件和倒角等结构组件；应变计粘贴部位打磨不够光整和清洗不够干净，其粘贴部位形态不能和仿真部位形态达到完全一致；外界信号干扰。通过上述分析，测量点5测量误差属于偶然误差。

加热对于农药的影响可能比数字显示的更加复杂。比如说，有些农药在高温下会分解，而分解的产物有些无毒，有些却可能更具毒性。所以，在不清楚农药特性的前提下，通过烹饪前处理来去除果蔬上的农药残留，无疑是更好的方案。

从表1还可以看出，各测量点应变测量值与仿真值基本一致，达到工程精度的要求。因此，机架有限元模型设置合理，可以用于后续机架轻量化设计。

4.2.2 约束函数确定

4 机架轻量化设计

为减小机架整体质量，减少结构耗材，降低运输及安装难度，根据前述分析结果，先后采用形状优化和尺寸优化对机架进行轻量化设计[10]，再进行结构改进。

4.1 形状优化

形状优化的目标是使用拓扑优化技术显示可能发生体积减小的区域，拓扑优化的设计思想是将寻求结构的最优转变为在选定区域内寻求形状和材料的分布最优。拓扑优化主要应用于产品的设计初期阶段或对现有产品进行轻量化设计[11-14]。

4.2.3 结果分析

图5 机架形状优化结果Fig.5 Shape optimization result of frame

从图5可以看出：机架的红色区域可以移除，去除该部分材料对整个机架结构力学性能影响较小；机架的灰色区域不可移除。考虑到机架功能和实际装配，一些红色区域无法移除，比如机架形状优化结果显示其底座部分整体应力较小，大部分可以去除，但为了避免对底座进行材料去除后导致底座过轻而产生头重脚轻的现象，决定不对底座进行材料去除。因此，结合机架形状优化结果，对机架的横梁和加强板进行部分材料去除设计，优化后机架横梁使用H型钢。

使用电阻应变计，选择全桥接电路连接方法，应用NI PXIe4330数据采集板与Labview软件，在满载工况下进行应变测量和数据采集[9]。各测量点应变测量结果与仿真结果的对比见表1。

从图6可以看出，形状优化后机架σmax为125.54 MPa，比优化前略有增大，但不超过许用的应力范围。同时，形状优化使机架质量从997.89 kg减小到923.73 kg，减小了74.16 kg。因此，通过形状优化，实现了机架轻量化。

图6 形状优化后机架应力分布Fig.6 Stress distribution of frame after shape optimization

从图6还可以看出，机架大部分区域强度仍然具有较大的余量，故可以进一步对机架进行轻量化设计。

4.2 尺寸优化

尺寸优化即在满足机架强度和刚度的前提下，通过对机架上某些构件尺寸进行优化，获得机架轻量化的设计方案。在上述分析的基础上，本工作采用ANSYS Workbench软件中的Design Exploration优化工具（目标驱动优化）对机架进行尺寸优化设计[15]。

第四、表1中学生座谈会所反映的问题以及教师在平常工作中一些消极行为表现，在日常的教学管理中常常会受到人情世故的影响，即行政领导不好拿捏处理的分寸，这种现象在教育活动和教育生活中是有现实意义的——因为教育本身是必须讲感情的，没有感情而教育，则毫无效果可言。但若在实际工作中这种情况被不了了之，就会让群体的影响走向负面。因此，建议此项实行隐性处理，比如减分并记次数制等。

4.2.1 输入与输出参数确定

机架结构参数主要由实际工艺动作确定，相比较而言，立柱矩形钢管厚度可选择的空间比较大，因此选择4根立柱矩形钢管厚度（xi，i＝1—4）作为输入参数[6]。根据市场上所使用的钢管规格，将xi规定在一定范围（5 mm≤xi≤10 mm）内。

研究了发酵原油的氨基酸组成，根据不同氨基酸的呈味特性和呈味强度对新菌株进行了氨基酸呈味方面的对比分析，结果见下表；对发酵原油进行了感官鉴评，结果见图5。

①落实管护人员，明确管护责任。北京市政府印发了《关于建立本市农村水务建设与管理机制意见的通知》。全市成立3927个农民用水协会，政府通过购买服务的方式 （每人每月500元补助）组建了10800名农民管水员队伍，负责农村水土保持、机井管理、用水计量、水资源费征收、河道管护等工作，实现了源头管理。北京市政府建立了水源涵养林管护机制，出台了山区移民搬迁政策 （每人每月400元补助）组建了4万多名生态林管护员队伍，使全市61万hm2水源涵养林实现了管护全覆盖。

由于尺寸优化目的是使机架质量减小，达到轻量化的效果，因此将形状优化后的机架模型质量进行参数化，并将其设置为输出参数[F（x）min，F（x）为机架质量][16]。为了可以在后续优化中选择机架σmax与dmax为约束条件，将形状优化后机架的σmax与dmax设置为输出参数。

根据给定训练样本：{x1，x2,x3,……，x56}，xi∈Rn，确定m个聚类中心点，分别为μ1，μ2，μ3，……，μm∈Rn，计算每一个样本xi所属类别Ci，即样本到类别中心欧式距离最小的类别，公式如下:

机架在轻量化设计后应满足一定的强度和刚度要求。本工作中，机架材料为Q235结构钢，其许用应力为σs，机架工作过程中产生的最大应力约束函数[σmax（x）]≤σs。

学校应该建立科学、公正、公开的教学督导评价系统，使广大教师不断提升教育教学能力。通过教学督导，学校可以了解每位教师的教学过程和教学效果，及时发现教师在教学过程中存在的不足，帮助其总结经验，进而提高教学水平。建立科学的评价体系，如以学生为主体、以项目为载体、以能力为目标等，对提高教师教学水平有积极的引导和促进作用。

将经试验验证的机架有限元模型导入到ANSYS Worbench软件的形状优化模块，在满载工况下优化机架形状。在优化设计过程中应用于模型的负荷和边界条件与静力分析相同。根据机架质量减小的要求，目标参数值设定为质量减小30%，机架形状优化结果如图5所示。

通过对参数和约束条件的设置，对形状优化后的机架模型进行分析，得到3组参考点，选择最优参考点，并根据市场上的钢管规格将其厚度取整。尺寸优化前后机架各变量对比值如表2所示。尺寸优化后机架应力分布和总体形变情况分别如图7和8所示。

从表2和图7—8可以看出：相比于形状优化后，尺寸优化后机架质量又减小了230.85 kg；满载工况下机架σmax和dmax均在许用范围内，且仍存在一定余量。

表2 尺寸优化前后机架各变量对比值Tab.2 Contrast values of variables of frame before and after size optimization

图7 尺寸优化后机架的应力分布Fig.7 Stress distribution of frame after size optimization

图8 尺寸优化后机架的总体形变Fig.8 Total deformation of frame after size optimization

4.3 结构改进

根据尺寸优化后机架模型的有限元静力学分析，在轮毂圆盘安装板上的螺栓孔附近发生了应力集中现象。大量的疲劳试验研究[17]表明，疲劳损伤可能发生在机械结构的应力集中部位。因此，为了避免这种现象，改进了机架模型结构，在轮毂圆盘安装板后，在3号和4号立柱内焊接壁厚为5 mm的槽钢。结构改进后机架的三维模型剖面如图9所示，应力分布如图10所示。

佛山海事局南海九江海事处副处长周龙腾表示，渡船的安全监管一直是海事监管的重中之重。几年来，佛山政府在不断加大渡船更新改造的同时，我们海事部门也一直不断地在优化监管模式，在提升监管效能上下功夫。很荣幸，海寿渡口能够作为样本渡口来接待来自东盟多国的专家代表参观交流。区域非公约船舶安全管理培训为我们交流渡船安全管理提供了平台，这将进一步凝聚合作共识，共同推进中国和周边国家在非公约船舶领域的合作。

再次，确定各个指标的权重。本文采用客观赋权法标准差法，即某指标下指标值的标准差越大，则表明该指标下各个测评对象之间的差异越大，赋予的权重也越大。在指标cj下的标准差为Sj。将各个指标的权重与无量纲化值相乘，有确定正负理想点，即正理想点为每列最大值形成的向量，u+=（maxui1，…，maxui8），负理想点是每列最小值形成的向量，u-=（maxui1，…，maxui8）。于是，各个测评对象与正负理想点的距离可以表示为：与正理想点的距离=sqr［∑（uij-maxuij）2］，与负理想点的距离sqr［∑（uij-maxuij）2］。每个测评对象的相对贴近度为

图9 结构改进后机架的三维模型剖面示意