振动筛机架结构的优化设计.pdf

第31卷第4期华侨大学学报(自然科学版)Vo1．31No．4
2010年7月JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Ju1．2010

文章编号：1000—5013(2010)04—036304

振动筛机架结构的优化设计

张卡德，黄致建，郝艳华

(华侨大学机电及自动化学院，福建泉州362021)

摘要：建立振动筛机架的有限元模型和优化模型，对刚度、强度和稳定性储备量足够大的振动筛机架进行优
化设计．把设计变量的尺寸规格值作为优化后最优值，对优化后振动筛机架进行刚度、强度和稳定性校核．结
果表明，经过优化后的振动筛机架的总质量有显著的降低，减小了29．41I冈4度、强度都满足设计要求，优化
后振动筛机架不会出现失稳现象，结构稳定性好．
关键词：振动筛机架；优化设计；强度；刚度；稳定性
中图分类号：TD452．02；TB115文献标识码：A

振动筛是对物料按粒径进行分级的专用设备．近年来，许多搅拌设备产品采用振动筛对砂粒进行
分级，以达到生产高效的目的．由于材料的成本不断提高，各行业都希望其产品在满足要求下，能尽量地
节约能源和材料的成本．振动筛主要由机架、弹簧、筛箱组成．振动筛机架是通过弹簧来支撑筛箱的上
下振动，振动筛机架的刚度、强度和稳定性直接关系到筛箱工作的可靠性．本文应用有限元软件AN—
SYS对振动筛机架进行优化设计，并对优化后振动筛机架的刚度、强度和稳定性进行校核．

1优化模型的建立

在振动筛机架的优化计算前，要建立正确和合理的有限元模型(图1)和优化模型．优化模型包括目
标函数、设计变量和约束条件[1J．对于复杂的结构，优化模型的参
数很多，手工定义相当繁琐．因此，利用有限元软件ANSYS的优
化功能I2]，使优化模型的建立和优化结果的后处理变得方便．
1．1目标函数
目标函数只能选择总质量最小化，而不能选择其他的目标函
数．振动筛机架优化设计的目标是机架结构的总质量最小化，即
min。===Pe．其中：m。为机架的总质量；，Ve分别为单
元的密度和体积．
图1振动筛机架有限元模型
1．2设计变量
FiglFiniteelementmodel
振动筛机架的设计变量，取槽钢截面的厚度(z)、加强筋的ofvibratingscreenframe
厚度(z。)、垫板的厚度(z。)和固定板的厚度()，以及槽钢截面
的长(z)和宽(z。)．设计变量z。～z。的初值分别为9，12，16，20，200，75ITlm，而它们的约束范围：6．5
mm≤zl≤9mm；6mm≤z2≤12mm；10mm≤z3≤16mm12rnm~<z4≤2Omm178mm≤z5≤200
mm；65mm≤z6≤75mm．
1．3约束条件
状态变量是根据设计对象应满足的功能要求而建立的约束条件．对于结构优化问题，约束条件主要
考虑对结构强度、刚度及稳定性应满足的要求．对于振动筛机架，主要的要求是刚度．一般来说，刚度达

收稿日期：2009—04—23
通信作者：郝艳华(1956一)，女，研究员，主要从事计算机辅助设计与工程的研究．E-mail：[e-mail],
基金项目：福建省科技重大专项基金资助项目(20O6HZ0204o038)
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到要求，强度也能满足要求．振动筛机架的约束条件：Xmi≥一0．9ram；X≤0．9mm；Y．a≥一1．0

miD_；≤1．0mm；Z。≥-o．6mm；Zm4o、基．6mm．

2振动筛机架的优化分析结㈣果咖啪啪啪瑚啪

振动筛机架目标函数、设计变量和约束变量随着迭代次数()的变化情况，如图2所示．从图2(a)
可以看出，迭代到16步后，机架的总质量。基本保持不变，迭代到24步才达到收敛的容差0．0001，
并取得最优值为742．04kg．

旨E

E吕
nnnm
加m642
o瑚
(a)目标函数

1．05．610．214．819．424．0

(c)5，X6(d)约束变量
图2优化参数随迭代次数的变化情况
Fig．2Variationsofoptimizationparameterswiththenumberofiterations
振动筛机架设计变量和状态变量的初值、最优值的对比，如表1所示．从表l可知，当目标函数达到
最小值时，各设计变量的最优值不符合材料实际的尺寸规格值，但可以取与最优值最接近的材料尺寸规
格值．当设计变量取材料尺寸规格值，即．z～z的值分别为7．0，10，10．5，12，180，68mm时，材料的
刚度、强度和稳定性都有所变化．
表1振动筛机架设计变量与状态变量的对比
Tab．1Designbariablescontrastwiththestatevariablesof