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此研究采用的葉片優(yōu)化方法：運用有限元分析軟件找出葉片的應(yīng)力危險區(qū)，以有目的性的去實施補(bǔ)救措施，對于受力變形大的區(qū)域，可以加厚葉片或采用加強(qiáng)筋板，對于應(yīng)力比較的小的區(qū)域可以采取相對較薄的設(shè)計，減輕整機(jī)的質(zhì)量，降低制造成本，并提高工作效率。
葉片材料20Ｃｒ，密度7.85×103ｋｇ/ｍ3，彈性模量為205ＧＰａ，泊松比為0.29。按上述的網(wǎng)格劃分的規(guī)則，綜合考模型的對稱性、計算的經(jīng)濟(jì)性及網(wǎng)格的質(zhì)量等問題，在Ｎａｓｔｒａｎ系統(tǒng)中采用三維四面體單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，采用3Ｄ單元，每個單元有4個節(jié)點，每個節(jié)點有6個自由度，ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，ｒｏｔｘ，ｒｏｔｙ，ｒｏｔｚ.適合于線性，大轉(zhuǎn)動分析。進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個攪拌葉片被劃分18790個實體單元。其中每個實體單元具有4個節(jié)點，每個節(jié)點有6個自由度，能夠模擬攪拌葉片的受力和變形情況。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)和載荷特性，選取結(jié)構(gòu)的1/8為分析模型，按軸對稱結(jié)構(gòu)計算。有限元模型共劃分了24287個單元，49605個節(jié)點，攪拌葉片有限元模型的網(wǎng)格圖如圖所示。
選擇連接板兩側(cè)和葉片頂部固連。假設(shè)葉片和連接板采用均布載荷，其有限元模型結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中箭頭代表矢量力。
載荷作用下葉片的應(yīng)力強(qiáng)度云圖如圖所示，葉片總體應(yīng)力分部比較均勻。葉片應(yīng)力分布圖顯示，最大應(yīng)力發(fā)生在葉片下部的圓弧部位和葉片的折彎板根部，最大應(yīng)力20.5ＭＰａ。葉片尖端和幅板的應(yīng)力值均較低。應(yīng)變分布見圖，其變化趨勢與應(yīng)力圖一致。
本研究選取葉片厚度為設(shè)計變量，通過調(diào)整葉片的厚度和剛度，降低葉片表面的應(yīng)力，消除葉片表面的應(yīng)力集中。設(shè)計變量ｘ如表所示。
根據(jù)靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果確定狀態(tài)變量Ｓｍｉｎ和Ｓｍａｘ如表所示。程序運行時要經(jīng)常檢查結(jié)果收斂情況，若沒達(dá)到收斂要求，再計算并調(diào)整設(shè)計變量重復(fù)以上各步直到收斂，得到最優(yōu)解，其計算流程如圖所示。
優(yōu)化過程中設(shè)計變量隨迭代次數(shù)的變化如圖所示，應(yīng)力和目標(biāo)函數(shù)隨迭代次數(shù)的變化如圖所示。由圖中可知優(yōu)化迭代到21次已經(jīng)得到最優(yōu)結(jié)果，通過對片的加厚處理，葉片優(yōu)化設(shè)計前后的結(jié)果以及應(yīng)力對比如表所示。
從以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果可知：對部分葉片加厚，部分葉片變薄，這樣可以充分改善葉片的應(yīng)力分配和合理利用材料。并且，由表可知，在滿足設(shè)計強(qiáng)度和生產(chǎn)成本的前提下，降低了葉片表面的應(yīng)力、減小了最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的差值、消除了葉片表面的應(yīng)力集中。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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