(广东伊雪松机器人设备有限公司)
摘要：近年来，我国信息科技技术的发展十分迅速，越来越多先进信息科技技术在机械结构设计中也得到了广泛应用，其中ANSYS就是一种先进的机械结构设计软件，其在机械结构设计中的应用具有着诸多的优势，有效的促进了机械结构设计水平的提升，下面，本文就针对机械结构设计中ANSYS的应用进行分析，来对此软件的应用进行深入的了解。
关键词：机械结构设计；ANSYS；优化设计
前言：软件ANSYS能够和计算机多种辅助设计的软件接口，对相互间的信息数据进行共享与交换，其在当前世界的范围内都得到了广泛的使用，特别是于机械结构的设计中，其应用的范围也是越来越宽广，涵盖的领域也是越来越广阔。软件ANSYS能够为机械结构的优化设计进行便利性的提供，还能够提升数据准确性，其在机械结构的设计中具有重要的价值，而机械结构设计中如何进行ANSYS的应用，就是本文主要研究的内容。
1.ANSYS软件工作的原理
通过ANSYS主要的目的是进行机械结构的计算和分析，其工作的原理是把机械生产中诸多连续性结构实施离散的操作，来形大量有限的多单元，且对每个有限的单元实施有限数量的节点设定，后把这些看似只是于节点位置具有连续性的单元组集合体当作连续体，同时对每单元函数的节点值设定未知量，使单元内假设的函数能够把函数分布的规律进行完整表现，再通过结构力学、弹性力学和固体力学等变分的原理进行用以对节点其未知量求解有限元的方程建立，从而来对连续域内无限的自由度以及离散域内有限的自由度等问题实现转换，对ANSYS计算分析的能力进行强化，进而借助节点值以及设定插值的函数实施计算，最后得出单元上以及整个集合场函数[1]。
2.机械结构设计中ANSYS的应用优势
ANSYS软件主要包括有分析计算、前后的处理等模块，在其前处理的模块内，存在Pro/E和UG等一些建模的工具，进行机械结构的设计中，可根据实际的情况使用具体的工具来对机械构件实施建模设计，对计算的模块分析中，能够对不同种类物理介质间相互的作用进行模拟，其具有着分析的灵敏度高和分析能力高等优点[2]。同时，ANSYS软件后处理的模块，可通过彩色的等值线、图像和图表等形式进行计算结果的显示。在进行机械构件的模型分析中，一般要不断对其进行修改与优化设计的分析，而借助ANSYS的软件，仅仅需要借助设计参数的语言来对其机械构件参数实施调整，就能够对机械构件设计以及分析的过程进行实现，因此，这就有效的缩短了机械构件的优化设计时间，还对设计人员工作量进行了减少。
3.机械结构设计中ANSYS的应用分析
3.1实例描述
在某机械的设备中，其主要是5节箱型的同步型伸缩臂构成，在展开全部的伸缩臂后，其机械设备长度约是27m，借助ANSYS来对其结构进行优化的设计，在保证其机械设备强度以及刚度满足要求同时，对其设备自重进行降低。
3.2有限元的分析
模型的建立：按照机械设备初始的结构、工况和尺寸情况，借助ANSYS软件自底部到上部进行建模。建模中，先对关键点进行确定，后依次进行线、面和体的建立，来形成实体的模型。对网格的划分中，可通过对自由网格的划分和人工进行网格尺寸方式进行综合运用来进行。
对约束和载荷的处理：机械设备的设计中，约束点集中在变幅油缸的支座铰接部位和基本臂根的铰点部位，其各约束点要能够对三方向平动的自由度和两转动的自由度进行约束，同时还要注意对销轴的中心位置互转的自由度进行释放，而此设备的伸缩臂和滑块间接触点的位置中，就可通过节点其自由度的耦合进行模拟。借助ANSYS的软件处理模块，进行机械设备其制造需要的材料密度与重力的加速度输入，则程序就可以把单元载荷的因子数据向总载荷内进行直接计入并实施自重的计算[3]。
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有限元的分析结果：对此机械设备通过ANSYS的分析，此设备于水平位置进行全部的展开时，应力和端部具有的位移量达到了最大值，但各节臂部位大部分的区域其应力还较小，其最大的应力分布在各节臂与滑块接触的部位，按照ANSYS软件的分析和计算，其应力值于133-276MPa范围，且局部的最大应力为386MPa，臂端变幅的平面内，最大的变形量是0.54m。
3.3建立优化设计的数学模型
设计变量：在此机械设备ANSYS的优化设计中，其各节臂长度是于设计前按照作业的范围进行确定，所以优化设计中是不可改变的。基本臂和各伸缩臂截面的尺寸是克按照几何关系进行逐步的调整，因此可把基本臂宽度B、壁厚Ti和高度H当作优化设计的变量，且对Ti可当作连续变量实施分析。
目标的函数：优化设计主要目标是满足设备正常的使用功能基础而尽可能的减轻设备的体积以及自重，而材料的体积越大的话，其设备的质量也越大，所以优化设计目标的函数就为各节臂的总体积。
状态的变量：此次状态的变量主要包括部件作业的工况下应力值和前端的变幅平面位移量。为了使设计的刚度与强度满足实际的要求，要控制好应力以及位移。
约束的条件：约束的条件主要包括刚性约束的条件、强度约束的条件和尺寸约束的条件。在刚度约束的条件中，为保证设备具有良好刚度，可把变幅平面的变形量最大值当作约束的条件，为对模型计算的时间进行简化，提升建模的进度以及经济性，可以对风载荷影响不进行考虑。但ANSYS完成优化设计后，是要进行风载荷的加载，并对探测臂实施校核，保证其满足刚度的需要。在强度约束的条件中，对设备材料力学的性能进行综合考虑，把应力值控制为376MPa内[4]。在尺寸约束的条件中，要对初始结构的尺寸和各节臂的尺寸间关系、伸缩臂的内部油缸外形的尺寸限制条件等进行综合考虑，对宽度B、高度H和臂壁厚Ti最值进行指定，按照本次的研究，其高度H于0.19-0.44m范围，宽度B于0.19-0.31m范围，臂壁厚Ti于0.002-0.006m范围，且i为1、2、3、4、5。
3.4优化的过程
对部件其各节臂的厚度进行优化：主要对钢板的厚度和其它设计的变量实施优化，且把目标的函数允许的误差控制于1%内，和初始数据结合，进行16次的循环优化。
对工作装置的截面尺寸进行优化：对壁厚的尺寸进行确定后，对各部件其截面的尺寸，通过一阶方法实施优化，其设计的变量是高度H与宽度B，且把目标的函数其允许的误差控制于初始的体积1%内，共实施6次循环优化，算上初始值共为7组的数据，后通过随机搜索法实施验证，保证其计算的结果具有良好一致性。
结语：综上所述，对ANSYS软件工作的原理和优势进行了阐述，并根据相应的实例来对机械结构实施优化的设计，从而获取相应最优设计的方案。借助ANSYS软件实施优化的设计，不仅能够对计算的过程进行简化，还能够有效提升机械设备优化设计的效率，其具有巨大的应用价值，因此其值得广泛推广。
参考文献：
[1]刘宇怀, 冀林海, 梁永红,等. ANSYS在机械结构设计中的应用研究[J]. 科技展望, 2016, 26(24).00064-00064.
[2]赵传贝. 机械设计中ANSYS结构优化技术的应用分析[J]. 环球市场信息导报, 2017(47):130-131.
[3]王永利, 上官林宏, 刘永跃. ANSYS软件在机械结构优化设计中的应用[J]. 机械制造与自动化, 2015(3):116-119.
[4]许军. ANSYS结构优化技术在机械设计中的应用[J]. 中国高新技术企业, 2017(12):50-51.
论文作者:于益回
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/15
标签：机械论文; 优化设计论文; 结构论文; 结构设计论文; 应力论文; 软件论文; 尺寸论文; 《电力设备》2019年第8期论文;