基于SolidWorks的搅拌器结构优化设计

基于SolidWorks的搅拌器结构优化设计

搅拌器的设计一直采用经验设计方法，本文通过SolidWorks对其进行了建模和参数化设计，并运用Simulation仿真分析功能对其所建立的模型进行了有限元分析。最后通过SolidWorks的优化功能对半搅拌器模型进行了优化设计，得到了搅拌板的最优厚度。该方法为半搅拌器结构分析和优化设计提供了一种新思路。

全自动液压制砖机简称液压砖机，液压制砖机是采用液压动力制砖的免烧砖机。蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰或水泥为主要原料，掺加适量石膏、外加剂、颜料和集料等，经坯料制备、坯体成型和高压蒸汽养护等工序制成的实心粉煤灰砖。蒸压粉煤灰砖是国家建设部推荐的新型墙体材料品种之一。搅拌器是全自动液压制砖机布料的主要工作装置，其主要功能是保证粉煤灰混合料均匀性的前提下，当粉煤灰混合料从上料斗落到下料斗时，在振动装置和下料斗内搅拌器共同作用下，使粉煤灰混合料在下料斗内均匀分布，在布料小车的运动过程中，行走到制砖模具上方时，使其均匀落到模具模腔内，让每个砖腔都有足够的料，才能保证各块砖重量一致。

搅拌器结构如图1所示，由两个半搅拌器组成一个搅拌器，下料斗内有两个搅拌器，当粉煤灰混合料从上料斗落入下料斗时，两个搅拌器相互运动，同时振动机构使下料斗做往复运动，让物料在下料斗内均匀分布。实际粉煤灰砖生产中发现，搅拌器在工作过程中，搅拌板向外侧弯曲。分析认为，搅拌器轴带动搅拌器做旋转运动，搅拌粉煤灰混合料，并使其分布均匀，粉煤灰混合料高度高于搅拌器，也就是说，搅拌器整个埋在粉煤灰混合料里，在搅拌的过程中，不断与粉煤灰混合料相摩擦。可能由于搅拌器结构强度不够，使得搅拌器的搅拌板产生弯曲。

图1 搅拌器结构图

本文以全自动液压制砖机搅拌器为例，基于SolidWorks产品设计平台，对搅拌器进行仿真设计和优化设计，通过分析结果和优化方案，缩短设计周期，增加产品的可靠性，降低材料消耗和成本；并模拟各种试验方案，提前发现潜在的问题，减少试验时间和生产经费。

搅拌器结构一直采用传统的设计方法——类比设计和经验设计，产品质量主要依靠设计人员的经验，需要进行方案设计、样机试制，样机试验，方案修改，然后多次循环才能完成。这种设计方法可靠性较差，设计成本高。现代基于三维软件的CAD/CAE设计模式在设计阶段就可以对各种方案进行分析比较和优化，减少或消除样机的制作。通过有限元分析便可了解设备在高压作用下零件的应力分布、变形情况；零件之间的接触力；判定产品的安全性；找出产品经济性与安全性的最佳平衡点。

SolidWorks是应用广泛的三维CAD建模和分析软件，可在完成零件、部件和总成的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果结果不符合设计要求，则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高设计水平和效率。本文以搅拌器设计中搅拌板厚度设计为例，通过使用SolidWorks的CAD/CAE功能，达到优化设计搅拌器的目的。

一、模型建立及有限元分析

1.搅拌器基本工作参数和模型建立

搅拌器结构见图1，具体参数见表1。

表1 搅拌器结构尺寸

搅拌器材料为Q235A，弹性模量210GPa，泊松比为0.28，抗拉强度为370MPa，屈服强度为235MPa，质量密度为7860kg/m3。利用SolidWorks基于特征的参数化造型功能，可建立该托盘的精确模型，由于模型对称，因此采用半搅拌器分析。

2.有限元仿真分析

使用SolidWorks的Simulation插件，建立算例，对半搅拌器施加载荷和约束，对版搅拌器进行有限元网格划分，如图2。

图2 半搅拌器有限元网格模型

利用Simulation工具对半搅拌器模型进行应力和变形分析，其应力分布和位移分布见图2和图3，从图2的应力分析图上可以看出，半搅拌器的连接板键槽处为应力破坏点，最大应力为226.6Mpa，没超过Q235A 的屈服极限235Mpa。从图3的位移分析来看，半搅拌器的最大为位移为5.51mm，位移变形很大，变形与实际基本相符，因此半搅拌器模型还需要优化。

图3 半搅拌器应力云图(N/mm2)

图4 半搅拌器位移云图(N/mm2)

二、半搅拌器结构优化设计

进入优化设计界面，半搅拌器的目标函数为半搅拌器的质量最小化；设计变量为搅拌板厚度，它对半搅拌器的质量和应力有重大影响；约束条件为安全系数，同时不改变其它条件，以防止半搅拌器整体结构出现较大变化。设置搅拌板厚度取值范围为10≤x≤30。经过5次迭代后，最终成功找到托盘模型优化最优解，具体优化过程见图5，优化前后相关数据对比见表2，为便于后期实际生产制造，对优化结果进行了取整。

图5 优化设计界面

表2 优化前后半搅拌器数据对比

由表2可知，与优化前相比，搅拌板厚度增大，它的厚度增大，可以增强搅拌板抗弯性能。利用优化后的设计参数，重新生成半搅拌器模型，经有限元分析，托盘的最大位移为3mm，位移变形减小，说明托盘的强度和刚度有一定提高，可减少其在使用过程中的破损率。

三、结论

本文采用SolidWorks对半搅拌器模型进行了有限元仿真分析，并在分析的基础上，对托盘进行优化设计，半搅拌器优化后的性能更趋于合理，大大降低了设计及试验成本，为产品方案修订提供了方向性和数据性指导。