大型直线振动筛动力学分析及侧板拓扑优化研究

摘要

目前振动筛的大型化需求迫切，大型振动筛可以提高生产效率，降低设备费用，提高经济效益。但随着振动筛的大型化，其激振力和结构尺寸增加。对整机及部件结构刚度强度要求增高，大型振动筛的部件如侧板等结构经常出现应力、变形过大，裂纹、疲劳失效等问题，大型振动筛的动力学性能决定着其工作的可靠性，对振动筛进行动力学性能分析及结构的优化具有重要意义。　　以ZK1230型大型直线振动筛为研究对象。首先建立了振动筛力学模型，进行了运动学分析，确定振动筛的主要工艺参数。应用ANSYS软件，系统建立振动筛整机及其各主要部件的有限元分析模型。　　应用ANSYS对整机筛整机和主要部件（侧板、横梁、入料梁、出料梁、弹簧支撑等）进行了模态分析和谐响应分析，得到整机及部件的各低阶固有频率及振型、动应力和变形结果。振动筛整机第9阶固频和侧板第7、8阶固频与工作频率16HZ接近，其整机第9阶振型也表现为侧板局部的较大变形，横梁、入料梁、出料梁、弹簧支撑装置各阶固频均远大于工作频率；整机及主要部件的动应力和变形均在许用范围内，但侧板结构的动应力相对较大。由动力学分析知侧板结构为振动筛较薄弱环节。　　应用基于变密度法的拓扑优化理论，对振动筛侧板加强筋作优化布局，建立以刚度最大为目标函数的侧板加强筋局的拓扑优化数学模型，根据拓扑优化分析所得材料密度分布云图进行加强筋的布局。与凭经验布置加强筋的侧板相比，新方案侧板的最大动应力下降56.5％，最大变形下降55.3％，一阶固有频率提高72.03％，侧板强度、刚度提高，各阶固有频率不同程度提高，有效避开工作频率。对比验证新侧板强度、刚度、固有频率均优于凭经验布置加强筋的侧板。　　为进一步验证拓扑优化结果的可行性，采用名义应力法（S-N法），应用MSC.Fatigue软件对振动筛侧板和横梁作疲劳寿命分析。根据分析结果得知二者最小疲劳寿命均达到要求，侧板入料端边缘中间位置最易发生疲劳破坏，横梁中间位置最易发生疲劳破坏，可在这两个薄弱处加强防护措施。

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1 绪论

1.1 振动筛的研究背景及意义

1.2 全球振动筛的研究现状

1.3 本文研究内容

1.4 本章小结

2 ZK1230型大型直线振动筛运动学分析及相关参数计算

2.1 振动筛工作原理及分类简介

2.2 ZK1230型大型直线振动筛运动学分析及主要参数的确定

2.3 ZK1230型大型直线振动筛工艺参数的确定

2.4 本章小结

3 ZK1230型大型直线振动筛整机及主要部件有限元模型的建立

3.1 ANSYS有限元分析软件简介

3.2 ZK1230型大型直线振动筛三维模型的建立

3.3 侧板有限元模型的建立

3.4 横梁有限元模型的建立

3.5 出料梁有限元模型的建立

3.6 入料梁有限元模型的建立

3.7 弹簧支撑装置有限元模型的建立

3.8 整机结构有限元模型的建立

3.9 本章小结

4 ZK1230型大型直线振动筛的有限元分析

4.1 ZK1230型大型直线振动筛有限元模态分析理论

4.2 整机与其结构部件的模态分析

4.3 直线振动筛有限元谐响应分析理论

4.4 ZK1230型大型直线振动筛整机及关键部件的谐响应分析

4.5 本章小结

5 侧板加强筋拓扑优化布局

5.1 拓扑优化设计理论

5.2 基于变密度法拓扑优化的基本思想

5.3 ZK1230型大型直线振动筛侧板加强筋拓扑优化布局过程

5.4 新侧板结构性能的评估

5.5 ZK1230型大型直线振动筛侧板和横梁疲劳寿命分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

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