基于虚拟样机技术的大型空间刚架结构参数优化与试验对比

为了对某型号大型电除尘器空间机械刚架进行结构参数优化，讨论了其基于虚拟样机技术的优化过程模型；在ANSYS软件平台上，利用基于Fortran语言的ANSYS二次开发语言APDL建立了空间结构虚拟样机可重用三维参数化数字化模型，完成了结构虚拟强度仿真分析；基于分析结果，建立了优化数学模型，完成了结构参数优化，优化程序有良好的通用性和可移植性；针对优化后的结构，设计加工了一个试验台，进行了强度应力试验，并和虚拟试验进行了数值对比，验证了优化结构的合理性，分析对比认为虚拟仿真数据结果可信；在此基础上，讨论了虚拟样机技术的工程应用意义。

    1 前言
    机械工程虚拟样机技术是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项CAE技术，它利用软件在计算机上建立3D样机模型和力学模型，用数字化形式代替传统的实物样机试验，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的各种性能，然后改进样机设计方案，以减少产品开发周期和成本，或根据仿真结果进行系统优化，为物理样机的设计和制造提供参数依据。
    将虚拟样机技术应用于机械结构的优化设计，可快速优化提高产品质量和可靠性，缩短优化开发周期，显著降低设计成本。
    2 构建虚拟样机
    基于虚拟样机技术，以Hp WorkStation2000为硬件支撑平台，以ANSYS软件为工具对某大型空间刚架结构进行参数优化，研究过程如图1。

    某型号电除尘器（图2）流通面积48m2，载荷工况复杂，空间结构庞大，总长约14m（含进、出气烟箱），总宽约8.5m（含一侧侧墙板的楼梯），总高约22m（含顶部起吊、顶部电气系统和楼梯装置），其中进、出气烟箱（斗状）、楼梯、顶部起吊等不对其他构件有承载作用的装置均简化为重力载荷作用在相关部位，另外由于工艺和结构的特定要求，在大梁和立柱的某些部位上开有孔槽和其它附加结构等。如人孔圈、电磁孔圈、电磁法兰、保温层装置、测温座、加热管座、封板、压条、支承座、爬梯、吊耳和连板等，图2数字模型均对其进行简化处理后，梁、板和柱的各截面基本都可视为等截面结构。屋面板焊接于大梁顶部，侧墙板焊接于立柱和大梁之间，起着密封和连接的作用并侧向抗剪切变形，基本不承受载荷，对整体结构的弯曲变形影响很小，建模时利用壳单元进行模拟。以上简化仅对某些有孔槽和其它结构的区域应力分布有局部影响，对整个结构的受力无明显影响。而且这样做既准确地表达了原结构的空间几何关系和截面形状，使虚拟样机没有失真，能较准确地反映大梁的受力特征；同时能够简化计算，使模型分析能顺利地在程序中实现。
    图2是利用ANSYS APDL(ANSYS Parametric Design Language)语言——该语言[3]是一个功能强大的专用描述性、解释性语言，类似于FORTRAN，可以实现FEA的参数化建模，是实现虚拟样机数字建模的有效手段——建立的三维虚拟样机数字模型，该模型完全参数化（程序略），可重用性良好，基本上实现了结构可视化逼真虚拟重现，较准确地反映了结构外观几何形状和空间装配关系，可有效保证性能分析。
    这样，由大跨度桁梁，屋面板，立柱，底梁，侧墙板，立柱支撑体和支架体组成的空间结构（图2），即可虚拟实现电除尘器的承载、密封并使其他部件在其空间安装定位。各平面刚架通过屋面板、侧墙板和底梁等纵向构件连在一起，形成一个大型虚拟空间刚架受力体系。

3 强度性能分析
3.1 模型力学属性

    3.2 边界条件总述
    刚架结构承受各种负载：自重、电除尘器内部构件重、极板积灰重、屋面活载、保温层、负压、风载、雪载、灰载以及温度载荷等。
    自重由程序施加惯性载荷保证，通过指定材料密度（表1）和定义结构的线性加速度实现；构件重（如灰斗、楼梯、管路、法兰等等）按载荷传递关系进行适当简化（略）；风载和内部压强简化为侧向均布载荷；雪载简化为竖向载荷；该电除尘器工作状态处于中温环境（150℃~200℃）[4]，施加体载荷200℃。ANSYS程序在处理载荷时，将把模型上的各种载荷自动转化为等效节点和单元承载。
    壳体（底梁以上部分）与底梁采用一点刚性连接，其余为多滚珠轴承连接，支架体与地面基本为刚性连接，虚拟模型对其进行相应处理。
    3.3 模型特点
    仿真模型网格化以后，有以下特点：结构复杂，模型大（模型重量达到72.3441090吨，自由度58902）；载荷复杂、数值大、单元和节点数量大，网格形式复杂，模型数据文件占用计算机空间大；模型建模相对复杂。
    通过ANSYS模型检查，简化基本合理，较真实地反映了某型号电除尘器主体空间刚架设计和载荷条件原貌，可对其进行数学模拟。
    3.4 结果整理与讨论

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