基于SolidWorks的搅拌器结构优化设计
搅拌器的设计一直采用经验设计方法,本文通过SolidWorks对其进行了建模和参数化设计,并运用Simulation仿真分析功能对其所建立的模型进行了有限元分析。
最后通过SolidWorks的优化功能对半搅拌器模型进行了优化设计,得到了搅拌板的最优厚度。
该方法为半搅拌器结构分析和优化设计提供了一种新思路。
全自动液压制砖机简称液压砖机,液压制砖机是采用液压动力制砖的免烧砖机。
蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰或水泥为主要原料,掺加适量石膏、外加剂、颜料和集料等,经坯料制备、坯体成型和高压蒸汽养护等工序制成的实心粉煤灰砖。
蒸压粉煤灰砖是国家建设部推荐的新型墙体材料品种之一。
搅拌器是全自动液压制砖机布料的主要工作装置,其主要功能是保证粉煤灰混合料均匀性的前提下,当粉煤灰混合料从上料斗落到下料斗时,在振动装置和下料斗内搅拌器共同作用下,使粉煤灰混合料在下料斗内均匀分布,在布料小车的运动过程中,行走到制砖模具上方时,使其均匀落到模具模腔内,让每个砖腔都有足够的料,才能保证各块砖重量一致。
搅拌器结构如图1所示,由两个半搅拌器组成一个搅拌器,下料斗内有两个搅拌器,当粉煤灰混合料从上料斗落入下料斗时,两个搅拌器相互运动,同时振动机构使下料斗做往复运动,让物料在下料斗内均匀分布。
实际粉煤灰砖生产中发现,搅拌器在工作过程中,搅拌板向外侧弯曲。
分析认为,搅拌器轴带动搅拌器做旋转运动,搅拌粉煤灰混合料,并使其分布均匀,粉煤灰混合料高度高于搅拌器,也就是说,搅拌器整个埋在粉煤灰混合料里,在搅拌的过程中,不断与粉煤灰混合料相摩擦。
可能由于搅拌器结构强度不够,使得搅拌器的搅拌板产生弯曲。
图1 搅拌器结构图
本文以全自动液压制砖机搅拌器为例,基于SolidWorks产品设计平台,对搅拌器进行仿真设计和优化设计,通过分析结果和优化方案,缩短设计周期,增加产品的可靠性,降低材料消耗和成本;并模拟各种试验方案,提前发现潜在的问题,减少试验时间和生产经费。
搅拌器结构一直采用传统的设计方法——类比设计和经验设计,产品质量主要依靠设计人员的经验,需要进行方案设计、样机试制,样机试验,方案修改,然后多次循环才能完成。
这种设计方法可靠性较差,设计成本高。
现代基于三维软件的CAD/CAE设计模式在设计阶段就可以对各种方案进行分析比较和优化,减少或消除样机的制作。
通过有限元分析便可了解设备在高压作用下零件的应力分布、变形情况;零件之间的接触力;判定产品的安全性;找出产品经济性与安全性的最佳平衡点。
SolidWorks是应用广泛的三维CAD建模和分析软件,可在完成零件、部件和总成的造型设计后,自动生成有限元网格并进行计算,如果结果不符合设计要求,则重新进行造型和计算,直到满意为止,从而极大地提高设计水平和效率。
本文以搅拌器设计中搅拌板厚度设计为例,通过使用SolidWorks的CAD/CAE功能,达到优化设计搅拌器的目的。
一、模型建立及有限元分析
1.搅拌器基本工作参数和模型建立
搅拌器结构见图1,具体参数见表1。
表1 搅拌器结构尺寸
搅拌器材料为Q235A,弹性模量210GPa,泊松比为0.28,抗拉强度为370MPa,屈服强度为235MPa,质量密度为7860kg/m3。
利用SolidWorks基于特征的参数化造型功能,可建立该托盘的精确模型,由于模型对称,因此采用半搅拌器分析。
2.有限元仿真分析
使用SolidWorks的Simulation插件,建立算例,对半搅拌器施加载荷和约束,对版搅拌器进行有限元网格划分,如图2。
图2 半搅拌器有限元网格模型
利用Simulation工具对半搅拌器模型进行应力和变形分析,其应力分布和位移分布见图2和图3,从图2的应力分析图上可以看出,半搅拌器的连接板键槽处为应力破坏点,最大应力为226.6Mpa,没超过Q235A 的屈服极限235Mpa。
从图3的位移分析来看,半搅拌器的最大为位移为5.51mm,位移变形很大,变形与实际基本相符,因此半搅拌器模型还需要优化。
图3 半搅拌器应力云图(N/mm2)
图4 半搅拌器位移云图(N/mm2)
二、半搅拌器结构优化设计
进入优化设计界面,半搅拌器的目标函数为半搅拌器的质量最小化;设计变量为搅拌板厚度,它对半搅拌器的质量和应力有重大影响;约束条件为安全系数,同时不改变其它条件,以防止半搅拌器整体结构出现较大变化。
设置搅拌板厚度取值范围为10≤x≤30。
经过5次迭代后,最终成功找到托盘模型优化最优解,具体优化过程见图5,优化前后相关数据对比见表2,为便于后期实际生产制造,对优化结果进行了取整。
图5 优化设计界面
表2 优化前后半搅拌器数据对比
由表2可知,与优化前相比,搅拌板厚度增大,它的厚度增大,可以增强搅拌板抗弯性能。
利用优化后的设计参数,重新生成半搅拌器模型,经有限元分析,托盘的最大位移为3mm,位移变形减小,说明托盘的强度和刚度有一定提高,可减少其在使用过程中的破损率。
三、结论
本文采用SolidWorks对半搅拌器模型进行了有限元仿真分析,并在分析的基础上,对托盘进行优化设计,半搅拌器优化后的性能更趋于合理,大大降低了设计及试验成本,为产品方案修订提供了方向性和数据性指导。