1概述

　　针对应用最广泛的单腔颚式机架进行有限元分析，建立了优化模型，并给出了优化结果。

　　2实体模型的建立

　　由于颚式破碎机机架的结构比较复杂，考虑ANSYS的网格划分精度和优化的顺利进行，在保证分析精度的前提下，略去对结构强度和刚度影响甚小的圆角和倒角；考虑结构的对称性以及计算机的运算时间和存储容量，在建立实体模型时建立机架的一半。生成的实体模型。

　　3力学模型的建立

　　力学模型是有限元计算的基础。该模型包括材料属性，单元类型，网格划分，载荷和约束条件的施加。

　　3.1颚式破碎机

　　机架的材料属性颚式破碎机机架材料为ZG35Ⅱ，该材料的弹性模量E= 2.02×105 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8×10-6 kg（mm）3，屈服极限为σs=270MPa. 3.2颚式破碎机机架的单元类型在选取单元类型时要综合考虑计算精度和计算时间。本文中对颚式破碎机机架选用三维二次10节点四面体单元SOLID92<6>。

　　3.3颚式破碎机机架的网格划分

　　网格划分是有限元分析中的重要环节，所划分网格质量的好坏将直接影响计算精度，质量太差的网格甚至会中断计算。

　　考虑颚式破碎机机架模型的复杂程度和优化的需要，单元尺寸全部采用6级精度，机架实体模型采用自由划分方式，共生成115212个单元，111946个节点。颚式破碎机机架的网格划分结果，如图2所示。

　　3.4颚式破碎机机架载荷和约束条件的施加

　　载荷的施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性和合理性。考虑实际工况对破碎机机架实体模型做如下处理：

　　（1）由于破碎机机架轴承座受到余弦力的作用，所以在建立有限元模型时，将轴承座内表面下半部分在周向平均分为180份，以便在轴承座加载余弦力<7>。

　　（2）由于复摆颚式破碎机最大破碎力多发生在破碎腔定颚齿板高度（0.35～0.65）处<8>，为了模拟破碎机机架前壁的实际工况，建一个固定齿板的简化模型，并在其内表面齿板高度（0.35～0.65）处建立一个面，为加载面力做准备。

　　（3）根据破碎机后支座部分的实际受力状况，建立一个后支架的简化模型，并根据肘板的支撑位置建立一个肘板支撑面的简化面，为合理加载破碎机机架侧壁力做准备。

　　根据颚式破碎机的实际工况，在轴承座内表面加载余弦面力，在固定齿板简化模型的（0.35～0.65）处加载面力，在肘板支撑面处加载面力。

　　各力的数值。

　　在实际工作中，由于颚式破碎机机架是固定在地基上不动的，故在破碎机机架底板上施加全约束；由于本文分析的是机架实体的一半，故在机架对称面上施加对称边界约束。

　　4求解计算及结果分析

　　计算结果分析：（1）轴承座和侧面的竖加强筋之间的等效应力较大；（2）前墙内侧，侧墙和前墙横加强筋相交处等效应力较大；（3）后墙，前墙的外墙，侧面，最下加强筋的等效应力较小；（4）轴承座外侧合位移较大；（5）机架整体下部合位移较小；（6）机架整体的刚度和强度分布不均。

　　5基于APDL的颚式破碎机机架的优化设计

　　APDL是一种参数化设计语言，其与ANSYS的分析命令相结合就可以实现参数化建模，参数化施加载荷，求解以及参数化后处理，从而建立优化分析文件。

　　5.1优化参数的确定的原则

　　根据颚式破碎机架的计算结果和结构特点，将机架壁厚和加强筋作为主要优化部位<9>，也就是在此设定详细的优化参数。

　　考虑机架优化后要应用于实际生产，在建立有限元模型时将面与面之间的过渡处隐藏在加强筋里面。

　　5.2优化设计的数学模型

　　5.2.1目标函数（OBJ）

　　由于研究的是破碎机机架在满足原来强度和刚度不下降前第12期黄伟等：基于APDL的颚式破碎机机架的有限元分析与优化设计48提下的优化设计，所以以破碎机机架的体积V最小（本文实指破碎机机架体积的一半）为目标函数。

　　5.2.2设计变量（DVs）

　　设计变量指在设计过程中要寻优的不断变化的一组参数。

　　设计变量越多，优化的效果就越好，但问题也就越复杂，求解的难度也就越大。

　　根据研究对象的特点取在参数化建模中确定的优化参数为设计变量。

　　5.2.3状态变量（SVs）

　　选取颚式破碎机机架的最大等效应力和最大合位移为状态变量。

　　5.3优化方法的选取

　　ANSYS提供了两种优化方法，即零阶和一阶方法。零阶方法采用所有因变量的逼近，可以有效的处理绝大多数的工程问题。一阶方法使用偏导数，虽然计算精度高但不能保证得到最佳结果。

　　综合对比以上两种优化方法，并针对颚式破碎机机架的结构特点，采用零阶方法对机架进行结构优化，计算量小，循环次数少，容易得到最优解。

　　5.4颚式破碎机机架的优化设计

　　ANSYS优化设计通常包括以下几个步骤：（1）生成循环所用的分析文件；（2）设定参数变量；（3）进入OPT，指定分析文件（OPT）；（4）声明优化变量；（5）选择优化工具或优化方法；（6）指定优化循环控制方式；（7）进行优化分析；（8）查看设计序列结果和后处理。

　　根据以上数学模型结合颚式破碎机机架的结构特点，首先利用APDL参数化设计语言和ANSYS命令创建参数化分析文件，然后声明优化变量，并确定每个优化变量的上下限和收敛容差，选取零阶优化方法和设定计算次数，当程序运行到第23次时就找到了理想的优化结果。

　　5.5结果分析

　　从等效应力云，可以看出原来比较分散的应力得到改善，并且最大应力由原来的164.99MPa下降到157.09MPa，下降了4.8%，即优化后的机架强度得到改善；从合位移云，可以看出原来位移较大的区域得到明显改善，且整体刚度得到改善；最关心的破碎机机架的体积经过计算下降了13.9%. MN。

　　6结论

　　针对国内某单腔颚式破碎机机架进行了如下研究：

　　（1）建立有限元模型，通过划分网格，加载和计算得到破碎机机架的有限元计算结果，从而找出原来机架薄弱和富裕的环节。

　　（2）建立了单腔颚式破碎机机架的优化设计理论模型，结合APDL参数化设计语言生成循环所用的分析文件，然后通过设定参数变量，声明优化变量等优化步骤，最后由计算机进行优化分析，得到理想的优化效果。

　　（3）以上研究结果已经在生产企业中得到有效应用，证实了研究结果的可行性。

(完)