用ANSYS进行某设备支座优化设计
摘要：介绍了ANSYS的基本思路及其应用范围，并利用ANSYS软件对某设备上翻盖油缸支座设计方案进行了计算分析，得知支座上所设计的加强筋对支座本身受力作用影响不大，并进行了优化设计，从而找到更合适的设计方案。
关键词：ANSYS；支座；优化设计
一．前言
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，所以在短短50多年间己广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防、军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究中，己成为现代机械产品设计中的一种重要工具。
有限元法的基本思路是：①把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述特性参数在其中的分布，这一步骤称为离散；②通过对单元的研究来建立各特性参数之间的关系方程，这一过程称为单元分析；③在单元分析基础上，利用平衡条件和连续条件，将各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析，从而得到整体的参数关系方程组，即矩阵方程，这一过程称为整体分析；④解这样的矩阵方程，即可得到各种参数在整体结构中的分布。
下面就利用ANSYS软件对某设备中油缸支座受力情况进行分析，并对其进行优化设计。
二．问题的引入
某全自动液压压块设备的总体结构如图1所示。其工作状况是：启动电机，油泵启动开始供油，按下运行按钮，通过控制系统指挥1号电磁换向阀换向，改变油管（该简图中油管均未完全画出）中液压油的流向，使翻盖油缸伸出，从而使该设备的盖子关闭，当关闭到位时，1号行程开关动作，控制系统指挥2号电磁阀动作，使设备的主油缸用最大100吨的推力对箱体中的物料进行挤压，当主油缸行进到一定位置时，2号行程开关动作，控制系统指挥3号电磁阀动作，使设备的副油缸把物料从出料口中推出，之后，3号行程开关使3个电磁阀同时动作使各油缸回缩，盖子打开后，油泵泄荷，准备开始下一轮工作循环。
由设备的运行状态可以得出，当盖子关闭对物料进行挤压时，盖子受到物料向上的推力，要保证盖子关闭，翻盖油缸必须对其施加推力，此时，翻盖油缸支座受到油缸对其的反作用力，为支座受到的最大作用力。我们就分析此状态下支座的受力情况，只要能满足要求，就说明支架强度可靠。
通过液压系统的计算分析，求出当盖子关闭时，翻盖油缸的输出推力为15.2吨。由图1中俯视图可以看出，翻盖油缸是由两个对称安装的相同支座对油缸进行支撑，故每个支座承受油缸对其作用力为：
F=15.2/2=7.6(吨)
由图2可以得出：
支座水平方向受力为：
Fx=FCos27º=7.60×Cos27º=6.77（吨），合66346牛顿；
支座竖直方向受力为：
Fz=FSin27º=7.60×Sin27º=3.45（吨），合33810牛顿。
可以认为该力通过翻盖油缸上的耳轴（其外形如图3）作用在支座上的支撑孔内表面上，其理想状态下接触部分为一条直线。那么我们可以认为该大小为7.6吨的载荷均匀地作用在支座轴孔内27º方向上的一条直线上。
支撑翻盖油缸的两个支座完全一样，位置对称于油缸，其结构及尺寸如图4，由于现阶段该液压设备为单件小批量生产，还没有形成规模，故支座采用钢板焊接结构（本图中删去焊接符号标注）。
三．建立模型并进行分析
运行ANSYS，设置解题类型为Structural，单元类型为Solid92，添加材料属性：一般碳钢，各向同性材料，弹性模量2.01e+5，泊松比0.3。建模，划分网格后结果如图5所示：
对底板上六个直径为22毫米的孔内表面进行全自由度约束，再施加如图2所示的载荷，然后求解。分别用云图的方式显示支座的应力及变形情况如图6、图7所示：
由上面两图可以看出，支座的最大应力为362.78MPa，最大变形为0.332mm。支座材料选用Q235A型碳素结构钢，查手册可知：其抗拉强度 ，设计要求支座最大变形量不大于1mm，所以我们可以确定此种情况下支座满足设计要求。
四．进行优化
从图6中可以看出，支座外部两侧的筋板上几乎没有应力存在，去掉它们行不行呢？重新编辑模型，再做一遍，我们可以得出图8、图9所示结果：
由上面两图可以看出，优化后支座的最大应力为462.199MPa，最大变形为0.433mm。并且考虑到在ANSYS中模型的约束为六个孔的内表面，而实际中是用螺栓联结，应力集中小的多，故此种情况下最大应力应该比计算值小，所以此种情况下支座仍能满足设计要求。
五．结束语
本文就某设备中油缸支座受力情况用ANSYS软件进行了分析，并对其进行优化设计。综合全文内容，可以得出以下结论:
1.支座上所设计的加强筋对支座本身受力作用影响不是很大，可进一步优化。
2.用ANSYS软件可以进行支座或其他部件进行受力分析，从而找到更合适的设计方案。
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