基于ANSYS Workbench的壓力表連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)
采用ANSYS Workbench軟件的DM模塊建立壓力表傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿的三維模型，并分析計(jì)算了連桿的 尺寸參數(shù)對(duì)連桿整體性能的影響，得到了較優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)組合，為連桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
0.引言
壓力儀表是測(cè)量和控制工業(yè)生產(chǎn)過程中液體、氣 體壓力的主要儀表，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、價(jià)格 低廉、測(cè)量精度高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，因此作為影 響壓力儀表精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重 要。目前大部分生產(chǎn)廠家主要憑借經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)的關(guān)鍵部件之一連桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法確定連桿的各 個(gè)尺寸是如何影響其整體性能的，具有一定的盲目性。 本文利用ANSYS Workbench軟件建立物理模型，并 通過其中的Design Explorer，采用目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方 法來實(shí)現(xiàn)連桿尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高連桿的性能。
1.建立連桿的有限元模型并進(jìn)行靜應(yīng)力分析
1.1 建立連桿的三維模型
圖1為壓力儀表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中連桿的 主要優(yōu)化參數(shù)為連桿中間部分的寬度與連桿的厚度。 其中寬度初步定為2. 5 mm，厚度初步定為1 mm。
1.2有限元模型的建立
設(shè)置連桿的材料為不銹鋼，其彈性模量為1.93X 10u Pa，泊松比為0.31。對(duì)其采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方 法，得到的有限元模型如圖2所示。
1.3靜應(yīng)力分析
由于連桿在其正常的工作過程中主要承受橫向的 拉力，而且兩個(gè)連接孔對(duì)稱分布，因此對(duì)其中一孔固 定，對(duì)另一孔施加一個(gè)沿Y方向600 N的拉力（見圖 3)進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，并對(duì)應(yīng)力和總變形進(jìn)行求解。 最大應(yīng)力求解結(jié)果見圖4，為512. 85 MPa,最大總變 形見圖 5，為 0.021 895 mm。
2.基于ANSYS Workbench的連桿尺寸參數(shù)優(yōu)化
2.1 設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)
連桿的主要參數(shù)如圖6所示，其中，P,為連桿中 間部分的寬度，P2為連桿的厚度為連桿的最大應(yīng) 力，為連桿的最大應(yīng)變，愾為連桿的最大總變形。 P]和巧為輸入?yún)?shù)，Pi設(shè)置為1. 5 mm~3 mm的連 續(xù)變量，設(shè)置為0. 5 mm?1. 5 mm的連續(xù)變量; P3,P,,P,為輸出參數(shù)。P:與尸2的組合分布如圖7 所示，共有9種組合方案。進(jìn)行靜應(yīng)力分析后更新所 有設(shè)計(jì)點(diǎn)（設(shè)計(jì)組合方案），得到如圖8所示的結(jié)果。 圖9為連桿的最大總變形與設(shè)計(jì)方案之間的關(guān)系。
2.2 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
對(duì)連桿進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，得到如圖10所示的響應(yīng)曲面。該響應(yīng)曲面是通過有限的設(shè)計(jì)點(diǎn)擬合成的， 設(shè)置模型為3D顯示，其中X軸代表P,，Y軸代表P2， Z軸代表，從而直觀地得到了連桿的厚度與寬度對(duì) 其總變形的影響。在其三維曲面上選取連桿總變形較 低的點(diǎn)作為響應(yīng)點(diǎn)*然后將得到的響應(yīng)點(diǎn)作為優(yōu)化后 的設(shè)計(jì)點(diǎn)，A 為 2. 485 5 mm，P2 為 1.476 2 mm。連 桿的初始設(shè)計(jì)參數(shù)與優(yōu)化后設(shè)計(jì)參數(shù)如圖11所示，優(yōu) 化后連桿的最大應(yīng)力見圖12.最大總變形見圖13。
3.結(jié)果分析
從圖12與圖13可知，采用新的設(shè)計(jì)參數(shù)后，連桿 的最大應(yīng)力為394.47 MPa,最大總變形為0.014 659 mm，連桿的應(yīng)力分布以及整體變形分布較優(yōu)化前得 到了極大的改進(jìn)。
4. 結(jié)束語
利用ANSYS Workbench軟件對(duì)壓力表連桿進(jìn)行 優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立合適的模型，選取關(guān)鍵的參數(shù)施加合理 的載荷及約束，得到了尺寸參數(shù)對(duì)連桿性能的綜合影 響，并得到了目標(biāo)點(diǎn)，為隨后的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
