濃縮機是一種連續(xù)工作的濃縮和澄清設(shè)備，它主要用于濕式選礦作業(yè)中精、尾礦漿的濃縮，也廣泛用于煤炭、鋼鐵、化工、建材、水源、污水處理等含固料漿的濃縮和凈化。濃縮機橋架結(jié)構(gòu)對濃縮機的處理效果起著至關(guān)重要的作用。對于濃縮機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，目前在國內(nèi)主要依據(jù)經(jīng)驗法和類比法。對于同一類型的濃縮機，其濟南橋架結(jié)構(gòu)基本一致，對于不同的給定條件，例如設(shè)備質(zhì)量、跨度等，可以通過ANSYS進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)有限元分析結(jié)果，從選材和改進結(jié)構(gòu)入手來優(yōu)化濃縮機橋架結(jié)構(gòu)，可為改善橋架受力狀況、降低橋架質(zhì)量提供科學的理論依據(jù)，也可為同類型濃縮機橋架的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

　　文章以NXZ-24中心液壓傳動濃縮機為例，采用有限元分析軟件ANSYS優(yōu)化模塊對中心傳動式濃縮機橋架進行優(yōu)化設(shè)計，并把優(yōu)化設(shè)計結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計的結(jié)果進行比較，以期在滿足設(shè)計要求的前提下達到優(yōu)化橋架結(jié)構(gòu)和減輕橋架質(zhì)量的目的。

　　1 濃縮機橋架傳統(tǒng)設(shè)計

　　在NXZ-24濃縮機設(shè)計中，與濟南橋架有關(guān)的參數(shù)有濃縮池直徑 (24 m)、橋架承重 (15 t)、橋架長度 (26 m)。在傳統(tǒng)設(shè)計中，橋架采用經(jīng)驗法和類比法設(shè)計，圖紙用AutoCAD繪制。橋架的主要尺寸如圖1所示。

　　圖1 NXZ-24濃縮機橋架結(jié)構(gòu)圖

　　2 濃縮機橋架參數(shù)化有限元模型的建立

　　濟南橋架設(shè)計完成后，作相應(yīng)的簡化處理 (簡化后的有限元模型見圖2)，采用ANSYS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計語言APDL對濃縮機橋架進行有限元分析。

　　圖2 簡化后的濃縮機橋架有限元模型

　　(1)單元類型的選擇。由于濟南橋架采用對稱結(jié)構(gòu)，為了分析方便，取橋架的一半作為橋架的簡化模型。選用單元類型為三維殼單元SHELL63，單元元素由4個節(jié)點組合而成，每個節(jié)點具有X、Y、Z位移方向及X、Y、Z旋轉(zhuǎn)方向的6個自由度。該單元能較為真實地反應(yīng)橋架結(jié)構(gòu)的實際承載狀況。

　　(2)實常數(shù)的輸入。濃縮機橋架材質(zhì)為Q235-A鋼。主要實常數(shù)分別為:彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.3。

　　(3)網(wǎng)格的劃分。橋架結(jié)構(gòu)幾何模型采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的精度能夠保證求解結(jié)果盡量精確。整個模型劃分的單元總數(shù)為1 598個，節(jié)點數(shù)為1 716個。

　　3 有限元優(yōu)化設(shè)計

　　3.1 設(shè)計變量及目標函數(shù)的選取

　　對于給定跨度的濃縮機來說，其橋架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計選取橋架質(zhì)量為設(shè)計目標，目標函數(shù)就是使橋架在滿足各項條件的情況下質(zhì)量最輕。由于橋架采用相同的Q235-A材料，只有一種密度，因此橋架的質(zhì)量僅與其體積有關(guān)，故取體積最小為目標函數(shù)。

　　3.2 設(shè)計變量的選取

　　邊界約束規(guī)定了設(shè)計變量的取值范圍，對于濃縮機橋架的截面結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮實際常用材料及安裝發(fā)貨條件，上下翼板厚度取值范圍設(shè)定為8～16 mm，腹板高度取值范圍設(shè)定為800～1 400 mm，腹板厚度取值范圍設(shè)定為8～16 mm。

　　3.3 狀態(tài)變量的選取

　　為了保證設(shè)計滿足使用要求，狀態(tài)變量取兩個，即應(yīng)力約束和位移約束:

　　(1)應(yīng)力約束。濟南橋架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力必須要小于所用材料的許用應(yīng)力。對于拉、彎應(yīng)力，有[σ]≤[σI] =176 MPa;對于剪應(yīng)力，有[τ]≤[τJ] =100 MPa[3]。

　　(2)位移約束。橋架結(jié)構(gòu)的最大撓度必須小于規(guī)定的值。根據(jù)實際經(jīng)驗，橋架的撓度取橋架長度的1.5/1 000～2/1 000。

　　將求解的各節(jié)點處應(yīng)力值和Y方向撓度值按降序排列，提取最大值，并賦給相應(yīng)的參數(shù)作為狀態(tài)變量，將滿足條件下的總體積最小作為目標函數(shù)，生成一個用參數(shù)定義模型并指定設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù)的分析文件，由這個文件可以自動生成優(yōu)化循環(huán)文件，用來進行優(yōu)化循環(huán)迭代。選擇一階優(yōu)化方法，對橋架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過31次迭代，在26步時為滿足條件的最優(yōu)值。

　　4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

　　從最優(yōu)化結(jié)果來看，雖然體積最小 (即質(zhì)量最輕)，翼板板厚8.9 mm，立板板厚8.4 mm，翼板板厚可圓整為9 mm，但板厚規(guī)格不常用，因此可以選擇第六步的翼板板厚10 mm、立板板厚8.4 mm材料規(guī)格，這個接近常用規(guī)格，而體積與最優(yōu)化結(jié)果相差不大。因此，濟南橋架上下翼板厚度取10 mm，腹板高度取1 320 mm，腹板厚度取8 mm。腹板按預(yù)留上拱度放樣下料后，余料可以用于橋架立筋板和濃縮機的刮泥板等零件，因此材料利用率比較高。

　　與傳統(tǒng)設(shè)計相比，優(yōu)化后的橋架質(zhì)量減輕了18%。橋架自重和加載后撓度為44 mm，最大應(yīng)力為94.1 MPa，橋架的剛度和強度均可滿足設(shè)計要求。圖3為優(yōu)化后的橋架靜剛度變形云圖。

　　圖3 優(yōu)化后的橋架靜剛度變形云圖

　　5 結(jié)語

　　濟南橋架在工程實踐中，由于某些鋼結(jié)構(gòu)件在設(shè)計過程中沒有設(shè)計規(guī)范可供參考，設(shè)計人員僅能依據(jù)經(jīng)驗法和類比法進行設(shè)計，為保證設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)一般偏重，耗材比較多。因此，在設(shè)計過程中參照有限元分析優(yōu)化中的優(yōu)化數(shù)據(jù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力狀況，合理選擇材料規(guī)格，可在滿足設(shè)計要求的前提下，盡可能降低材料質(zhì)量，節(jié)省成本。因此，將傳統(tǒng)設(shè)計與有限元優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合的方法不失為非標產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種有益嘗試。