【正文】 表示：優(yōu)化設(shè)計的目的就是要求所選的設(shè)計變量使目標函數(shù)滿足特定約束條件下達到最佳值，可能是極大值或極小值。在有限元優(yōu)化設(shè)計中，建立最優(yōu)的目標函數(shù)組是非常重要，同時也影響到有限元對模型的優(yōu)化。在建立優(yōu)化的數(shù)學模型時，通常約束條件寫成同意的標準，表現(xiàn)形式有兩種。約束的性質(zhì)的不同將設(shè)計變量約束分為兩類：1) 區(qū)域性約束 2）性能約束。在ANSYS軟件中，狀態(tài)變量(state Varlables)是可以用設(shè)計公式或者通過物理學知識和力學知識的基本分析得出約束函數(shù)，表示性能約束條件，是約束設(shè)計的數(shù)值。機械優(yōu)化設(shè)計問題，可表達為優(yōu)選參數(shù)，滿足參數(shù)選擇的限制條件，使其設(shè)計指標達到最佳值，選取設(shè)計變量、列出目標函數(shù)。即： 或 式中，稱為該方程的最優(yōu)解，為最優(yōu)值。建立數(shù)學模型是優(yōu)化設(shè)計中非常重要的步驟，數(shù)學模型直接影響優(yōu)化后的結(jié)果，抓住關(guān)鍵因素，適當忽略次要因素，是問題簡單化、合理化，有利于列出數(shù)學模型。 ANSYS在加工機械零件設(shè)計中的應(yīng)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計的基本步驟：（1）設(shè)計變量初始化：在進入前處理器前，優(yōu)化設(shè)計變量的初始值必須指定。（3）執(zhí)行第一次結(jié)構(gòu)分析：最優(yōu)化設(shè)計求解階段和傳統(tǒng)的ANSYS結(jié)構(gòu)靜力學分析求解一樣，主要是求得模型的應(yīng)力、應(yīng)變和最大變形量等數(shù)據(jù)。（5）設(shè)定目標函數(shù)及約束條件和執(zhí)行最優(yōu)化的迭代次數(shù)：最后就是最優(yōu)化求解過程，主要任務(wù)是設(shè)置最優(yōu)化的求解程序(如：設(shè)計變量和約束條件變化范圍的確定，目標函數(shù)和收斂容差的定義)。其工作的示意圖如圖42所示。本文采用的是外驅(qū)動光面輥軸，幅板和軸焊接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖43所示。圖 43 輥軸結(jié)構(gòu)示意圖；；；；有限元模型的建立先確定分析類型為Beam188號單元，然后定義材料的屬性，模型的建立，網(wǎng)格劃分，加載荷和約束。2） 將零部件視為剛性連接。4） 忽略倒角、圓角螺孔的影響，將其等效到試體中去。輥軸由多個零件構(gòu)成，安裝時形成梁結(jié)構(gòu)，故先對線進行網(wǎng)格劃分，再對屬性中選項section number分別對每一段線賦予屬性，進行自由網(wǎng)格劃分，共生成159個節(jié)點，共生成158個單元格，如圖44所示。載荷F=220N沿Y軸負向（箭頭所示）施加在輥軸的幅板與軸連接處（如圖45所示）。從圖6可以看出，傳動輥軸的最大應(yīng)力主要集中在軸承座與軸肩的接觸面、輪轂、以及輪轂和軸承軸肩之間的軸上，最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸承座與軸肩的接觸面上。從圖5上可以看出，位移變化主要集中在軸體中央，最大位移出現(xiàn)在軸體垂直于軸線的中垂面上。使加強筋地膜加工機械整體結(jié)構(gòu)更加合理，該機械的個部件滿足工作要求情況下，使部件的體積最小，部件的設(shè)計參數(shù)更加合理。輥軸體積數(shù)學模型描述為：設(shè)計變量的變化范圍： 狀態(tài)變量：式中A——軸體的直徑B——軸體的厚度C——幅板的直徑D——軸肩的直徑Deformation——材料變化范圍進入Design Opt優(yōu)化模塊，該模塊主要由讀入優(yōu)化文件，參數(shù)化設(shè)計變量，狀態(tài)變量，目標函數(shù)，輸出結(jié)果的控制，求解方法，結(jié)果顯示等組成。選擇Run指令，對參數(shù)進行優(yōu)化求解，詳細結(jié)果見圖48，圖49，圖410。圖49設(shè)計變量與體積關(guān)系機械零件體積的大小，直接影響機械的整體結(jié)構(gòu)尺寸，圖49為設(shè)計變量與體積的關(guān)系，曲線浮動最大的為軸體直徑和幅板的直徑。圖10設(shè)計變量的最優(yōu)解Fig. 10 The optimal solution of the design variables輥軸的設(shè)計變量優(yōu)化后的最優(yōu)解見圖10，設(shè)計變量最優(yōu)的情況下Y向位移為S=，輥軸的體積為V=。將有限元分析用于傳動輥軸的設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，大大縮短了機械的設(shè)計周期，保證了輥軸的工作要求，提高了該部件工作的可靠性，為同類輥軸的設(shè)計提供了有力的證據(jù)。綜合有限元分析，可以得出以下結(jié)論：1）由輥軸的應(yīng)力分布可以看出，軸承座與軸接觸的軸肩出會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，因此在此處不宜開鍵槽，可使用軸承蓋和間隔套來定位。3）輥軸應(yīng)力分布主要集中在軸肩處，Y向位移主要集中在輥軸的中心，這與試際情況相符。注：結(jié)果輸出圖中的位移單位為um，應(yīng)力單位為MPa。加強筋地膜加工機械的設(shè)計與研制運用結(jié)構(gòu)力學、運動學原理，與試際生產(chǎn)需求相結(jié)合。該機械生產(chǎn)試驗原理如圖51所示，該機械工作時加強筋與普通地膜同時經(jīng)過輥軸進行粘合，完成加強筋地膜的初步生產(chǎn)。圖51 加工機械生產(chǎn)試驗原理示意圖1. 普通地膜 2. 吊架 3. 加強筋 4. 輥軸運用AutoCAD對該機械進行二維圖繪制，其軸承選用標準件，輥軸選用無縫圓鋼管，機架為的方鋼，其它原件根據(jù)試際需要進行設(shè)計，如圖52所示為加強筋地膜加工機械的樣機，位于塔里木大學機械電氣化工程學院、農(nóng)業(yè)工程重點試驗室和土槽試驗室，對該機械的各項指標進行測試。（2）儀器設(shè)備的準備根據(jù)該機械的測試指標，測量工具選用適當?shù)木?，如：秒表、卷尺、游標卡尺等。?）計時測量如圖53所示，為加強筋地膜加工機械生產(chǎn)現(xiàn)場，機械運行時，采用秒表測量該機械消耗一卷加強筋所用的時間，隨機進行測量普通地膜加工前和加工后的寬度的尺寸，加工整卷地膜所需的時間，修復機械故障消耗的時間，計算該機械的生產(chǎn)率，重復多次進行測量。圖53 加強筋地膜加工機械生產(chǎn)現(xiàn)場（1）把加強筋換成長度恰好是每卷地膜的總長度，可有效減少換加強筋的次數(shù)，可有效的提高該機械生產(chǎn)率。（3）由于普通地膜的寬度存在略窄，生產(chǎn)時加強筋偏離普通地膜的邊，確保該機械的順利生產(chǎn)。 加強筋地膜加工機械生產(chǎn)試驗結(jié)果與分析對樣機的生產(chǎn)率和加強筋地膜的收縮率進行計算，并進行試際生產(chǎn)率與純加工生產(chǎn)率進行對比，得出輔助操作工序?qū)ιa(chǎn)率的影響，便于對該樣機的改進，提高該機械的生產(chǎn)率。經(jīng)試驗，影響該機械的生產(chǎn)率的因素主要有換膠帶輔助操作工序和更換加工后地膜卷輔助操作工序。由于輔助操作工序的影響，生產(chǎn)率下降近40%，根據(jù)結(jié)果分析，要進一步提高生產(chǎn)率，需要增加加強筋長度和加工后地膜卷直徑。表52 加強筋地膜變形測量數(shù)據(jù)試驗的組數(shù)項目測量的次數(shù)平均第一次第二次第三次第四次第五次第一組加工前201720132022201520152016加工后200220032009200920052006第二組加工前201720142021201520182017加工后200620072009201020072008第三組加工前202020162018202020222019加工后201220042009201020092009第四組加工前201820162014201920162017加工后200620062004200820072006第五組加工前201720212015201820162017加工后200420092004200520072005表53 加強筋地膜變形結(jié)果分析項目原地膜的平均寬度(/mm)加工后地膜平均寬度(/mm)收縮量 /mm收縮率 /%加強筋塑料地膜組數(shù)第一組2016200610第二組201720089第三組2019200910第四組2017200611第五組2017200512平均 （a） （b）圖54 加強筋地膜收縮直觀視圖加強筋地膜的收縮量大小與加工后地膜寬度為離散點，離散點之間的規(guī)律揭示擬合曲線的發(fā)展趨勢，該曲線采用最小二乘法進行曲線擬合。使該式更具有一般性考慮加權(quán)平方和。記 其法線方程可寫 。其中，設(shè)的任意線性組合點集 上至多只有個不同的零點，稱 在點集滿足哈爾條件。從而得到函數(shù)的最小二乘解為：根據(jù)表47 資料進行分析地膜收縮量與加工后地膜的寬度之間的關(guān)系，對數(shù)據(jù)進行擬合，設(shè)曲線 經(jīng)計算 于是所求的擬合曲線為運用最小二乘法擬合的曲線方程成為檢測普通地膜收縮量的標準，同時也是檢測該機械性能標準，為后續(xù)的加工生產(chǎn)提供了有力的依據(jù)。加強筋地膜采用根加強筋，其寬，試驗的作物為棉花，選取塊試驗地，分別為第一師八團技術(shù)推廣中心2地、十團技術(shù)推廣中心234地、十三團技術(shù)推廣中心4地、農(nóng)科所1試驗地、塔河種業(yè)100試驗地。（3）對加強筋地膜加工機械生產(chǎn)的地膜和加強筋地膜加工裝置生產(chǎn)的地膜進行成本分析。（1）對加強筋地膜加工機械和加強筋地膜加工裝置進行輔助操作和效率對比，詳細結(jié)果如表54所示。表54 加強筋地膜加工工序?qū)Ρ软椖枯o助操作工序總計換地膜換加強筋換卷膜輥包裝地膜加強筋地膜加工機械工序用時/min23229生產(chǎn)率m/h1175加強筋地膜加工裝置工序用時/min21003生產(chǎn)率m/h2745（2）分別對兩種機械進行生產(chǎn)試驗，并對兩種加工方式進行加強筋地膜成本進行核算，詳細結(jié)果如表55所示，目前加強筋地膜比普通地膜的成本多，加強筋地膜加工裝置不需電費、人工費、運輸費等。表55 加強筋地膜生產(chǎn)成本對比項目項目費用總共電費機器成本人工費加強筋成本運輸費加強筋地膜加工機械加強筋地膜加工裝置0000（3）分別進行殘膜回收試驗，加強筋殘膜回收效果相同，而加強筋地膜與普通地膜回收數(shù)據(jù)和詳細結(jié)果如表56所示。普通地膜殘膜回收時易撕裂、分解成殘膜碎片，增加了回收困難，回收效率約為，耕層殘膜無法回收，嚴重影響棉花的生長。加強筋地膜加強筋機械的費用增加元/公頃，而利用加強筋地膜加工裝置可降低元/公頃，該裝置有效的促進經(jīng)濟效益和社會效益。（3）經(jīng)田間試驗，加工裝置生產(chǎn)的加強筋地膜時，覆膜播種效率高，該地膜不需要增加防風隔斷，增大地膜采光面積，有效的減少勞動力；殘膜回收率高，一次回收效率約，有效的減少農(nóng)田中的白色污染。其拉伸時載荷變形曲線有明顯的彈性、屈服、頸縮和斷裂四個階段。進行拉伸試驗采用厚度測量儀測定普通地膜、加強筋、加強筋地膜樣品厚度，并用切削工具型沖片機制作拉伸試驗的樣本。樣本拉伸試驗的簡圖如圖61所示，樣本一端固定，另一端則受到力的作用，勻速提升，樣本逐漸變形，當達到一定值時，樣本發(fā)生破壞。為樣本的長度，為樣本固定在夾具上的寬度，為樣本的寬度，為樣本拉伸頸縮的寬度。2）采用萬分尺測量樣本的厚度，并輸入到計算機，并在同條件下進行對比試驗。圖63 樣本拉伸試驗試樣的截面樣本分為夾具夾持部分、過度部分（忽略不計）和待測部分。按標距與其寬度之間成比例，拉伸三種類型的樣本，其厚度、比例尺寸見下表61所示。樣本安裝時不宜過緊，否則影響其力學性能。圖64 拉伸試驗三種試樣的樣本1）樣本厚度測量時，采用多點測量，取樣本厚度的平均值。拉伸時，避免物體碰觸樣本。4）準確輸入樣本數(shù)據(jù)，否則計算機無法計算樣本的各項性能。本試驗采用的是型電子萬能試驗機，該試驗機的具體參數(shù)見62所示。七級自動換擋 2kN傳感器進行20N～2kN拉壓試驗。由該表可知，破壞載荷為，斷裂載荷為，斷裂強度為。具體數(shù)據(jù)見表63所示。圖65 普通塑料地膜應(yīng)力變形曲線拉伸試驗過程中，由于樣本為聚丙烯材料，有較強的抗拉性能，加強筋的力學性能比普通地膜好很多。具體數(shù)據(jù)見表64所示。斷裂后樣本應(yīng)力瞬間消失，所以應(yīng)力下降呈直線。由該表可知，破壞載荷為，斷裂載荷為，斷裂強度為，斷裂變形較為。表65 加強筋地膜試驗結(jié)果分析試驗組數(shù)破壞荷載(N)拉伸強度(MPa)斷裂荷載(N)斷裂強度(MPa)斷裂變形(mm)斷裂伸長率(%)第一組第二組第三組29第四組第五組30平均如圖66所示，加強筋地膜斷裂應(yīng)力較高。加強筋塑性較差，斷裂載荷為26N，高于普通地膜力學性能。表66拉伸試驗結(jié)果綜合分析試驗的組數(shù)項目(N)測量的組數(shù)平均第一組第二組第三組第四組第五組普通地膜破壞載荷斷裂載荷加強筋破壞載荷29斷裂載荷26加強筋地膜破壞載荷斷裂載荷2930加強筋地膜的破壞載荷與加強筋的斷裂載荷為離散點，離散點揭示擬合曲線的發(fā)展趨勢，該曲線采用最小二乘法進行曲線擬合。根據(jù)購置的加強筋的斷裂載荷可以推測加強筋地膜的斷裂載荷，檢測購置加強筋是否滿足要求。根據(jù)普通地膜、加強筋、加強筋地膜斷裂載荷對比，見圖67所示，普通地膜的斷裂載荷為離散點，其曲線接近直線。故其斷裂載荷浮動在一定的范圍內(nèi)，這為相同材料屬性的試驗提供了科學依據(jù)。 ，人工揭邊模時殘膜埋于土下，殘膜上土的壓力超過普通地膜斷裂載荷，導致殘膜無法回收，是農(nóng)業(yè)白色污染的主