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摘要：在某吊放装置的设计过程中，运用有限元分析软件ANSYS对装置结构进行优化设计，通过分析比较多个不同结构参数，使装置在满足使用强度要求的同时，降低装置重量，根据求解结果，对不影响结构强度的其它部位进行优化设计。
关键词：有限元分析 结构优化
0 引言
某吊放装置主要用于水下载体的水面静态吊放。为使装置的使用更加方便灵活，需尽量减小其重量，同时降低部分加工制造成本。通过使用ANSYS有限元软件分析装置的主要承载部件，对三组不同结构参数的解算结果进行比较，在满足装置使用强度要求的前提下，得到结构的最优设计。
1 建立有限元模型
1.1 选用的单元
shell63单元既具有弯曲能力又具有膜力，可以承受平面内载荷和法向载荷，具有应力刚化和大变形能力。选用shell63单元，可避免设定不同参数时重复建模和网格划分，提高前处理的效率；在求解不同结构参数有限元模型时，只需在单元的实常数选项中更改单元属性即可。shell63单元满足此次对比、分析、设计需求。
1.2 几何模型
在建立装置的有限元模型时，对不影响受力结果或影响很小的结构特征做了简化处理，这些结构包括螺纹孔、光孔及倒角等。细小孔的存在会影响周围单元的质量及数量，增加网格划分的难度；倒角会增加单元的数量，并且会产生有尖角的单元，这些都将增加前处理的时间并使运算时间加长，并有可能造成单元节点计算应力的溢出，产生集中应力，严重时会直接中断分析程序造成运算结果缺失。
根据装置的结构特点，承载的主要结构件是加强环，最大应力位于加强环内壁的中间位置，因此建立其几何模型时，对橡胶板安装孔、托板安装孔及其它非关键受力部位的细小特征进行简化处理，建立的有限元模型。
1.3 载荷施加及边界条件
装置最大受力的工况是在空气中吊放水下载体产品的过程，此时的产品没有产生浮力，完全由装置承受其重力。由于装置的受力是左右对称的，因此只对其中一半进行分析即可。
根据以上分析，在装置的几何模型施加载荷及约束（此步骤也可在划分完网格时进行，由于本次分析不涉及重复建模，在几何模型和有限元模型上加载这两种方式其运算效率是相同的）。在水面吊放装置的吊点位置约束五个自由度，放开抱臂的旋转自由度；在抱臂下方的受力位置施加向下的载荷，载荷大小为约750kg。此时，还需约束受力点的水平自由度，防止分析过程中下方节点的水平位移太大溢出，导致运算失败。为能最大程度还原装置的实际受力及变形，在吊点和受力部位进行刚性区域操作，使受力主要集中在装置的加强环上，而不是均匀作用在加强环及它们之间的连接抱板上。同时，抱板和加强环的位移结果还能保持一致，符合实际的变形情况。
2 有限元分析
2.1 装置结构选用的材料属性
装置采用不锈钢材料，材料属性如下：
a)弹性模量：2.06×105 MPa；
b)泊松比：0.3；
c)密度：7.85×103 kg/m3；
d)屈服强度：约205MPa。
2.2 不同结构参数及分析结果
使用meshtool工具对建立的水面吊放装置几何模型进行网格划分，通过详细设置各不同位置的单元大小密集程度，划分不同结构位置的网格，抱板可规则的划分四边形网格，加强环由于结构的不规则性，采用自由划分，最后得到模型的有限元网格。
首先进行的是10mm厚加强环的分析，分析类型选用static，solution controls设置中采用大变形设置，计算得到的应力结果图，应力最大为95.4MPa，位于抱板上边缘与加强环连接处，此处由于结构的突变，产生了应力集中，是正确的分析结果，此外加强环中间处的应力大小约为81MPa，以上两处均满足结构强度要求。
装置存在位移变形，变形最大位于左下角处，变形量为1.79mm，这是由于四个加强环不是对称分布的，中间两个加强环位置偏右，导致右边的强度略高于左边。因此，左下角的变形量相对较大，通过读取求解结果，右下角的变形量约为1.6mm，可见两者的差别很小。
设置单元的实常数，将单元shell63的厚度分别更改为8mm和6mm，其余结构参数保持不变，分别进行求解分析，最后得到的应力及位移结果如表1和表2所示。
2.3 结果对比分析
通过对比表1、表2的数据值可知，三种不同厚度加强环的变形结果都比较小，承载能力方面最好的是厚度10mm的加强环，变形量也最小，但余量较大，应力安全系数为2.15，远远满足强度使用要求，造成了材料成本浪费； 6mm加强环的应力分析结果虽然满足材料屈服强度，但安全系数较小，仅为1.22，在吊放产品的过程中若出现摇晃、颠簸等情况，则很容易达到材料的屈服强度极限，为保证水面吊放装置的安全使用，避免突发事件，不建议使用该厚度的加强环；8mm加强环的分析结果则较为理想，在满足结构强度的同时，也有合理的余量，因此，水面吊放装置的主要承载部位采用8mm的设计。
由装置应力云图分析可知，与加强环连接处的抱板有少量的载荷承受，而加强环之间的抱板部分则处于零应力状态，这说明此处受到的载荷接近为零。因此，根据分析结果可将此处设计成网状结构，既能保证加强环间的稳定性，又能进一步降低结构的重量，最终可得出整个装置的结构设计。
3 结论
运用有限元方法，对装置进行分析与研究，通过对几何模型进行合理简化，采用更加符合实际的边界约束方式，得到了装置三种不同结构参数的有限元模型应力与变形结果。对比分析计算结果，选用8mm厚度的加强环既能满足结构强度需求，也能保证装置的安全使用，与原有装置结构相比，结构设计得到了优化，其重量大大减小，有效降低了加工制造成本。
论文作者:马琪
论文发表刊物:《科技新时代》2018年6期
论文发表时间:2018/8/13
标签：装置论文; 应力论文; 结构论文; 载荷论文; 单元论文; 模型论文; 有限元论文; 《科技新时代》2018年6期论文;