移动式垃圾转运站箱体有限元分析与优化设计

移动式垃圾转运站箱体有限元分析与优化设计

曹永光

徐州徐工环境技术有限公司

摘要：本文基于移动式垃圾转运站箱体有限元分析，探讨了有限元分析的优点，包括高精度、全面性、适应性等方面。重点关注移动式垃圾转运站箱整机自重载荷的优化，通过选择轻量化材料和优化结构形式，降低箱体重量。使用ANSYS软件进行结构优化，通过调整设计变量，满足约束条件和目标函数。并且对结构优化结果进行了详细分析，验证优化方案的合理性和有效性。

关键词：移动式垃圾转运站；有限元分析；优化设计；结构分析

一、引言：

移动式垃圾转运站作为一种具有灵活性和便捷性的垃圾处理设备，在城市环境中得到了广泛应用。然而，为了确保转运站的安全和稳定，其结构设计至关重要。因此，借助有限元分析进行结构优化设计，能够降低箱体自重，提高结构强度和稳定性，并提高材料利用率。

二、移动式垃圾转运站箱体有限元分析

（一）有限元分析的优点分析

在实际工程中，许多结构或零件都具有复杂的几何形状，难以通过简单的解析方法进行处理。然而，有限元法能够将这些复杂的几何形状转化为有限数量的单元，在计算每个单元后得出整个结构的应力和变形分布。因此，有限元法非常适合处理形状不规则的研究对象。

此外，结构的应力和变形分布通常受到各种约束和加载条件的影响。有限元法可以灵活地建模，根据这些约束和加载条件设定相应的边界条件，并将其输入到有限元模型中。这样就能更准确地模拟实际工况，分析各种工况下的结构响应。

最后，有限元法也非常适用于解决由材料特性和结构的变形引起的非线性问题[1]。例如，材料可能会出现塑性变形、屈曲等非线性情况。有限元法能够考虑这些非线性情况，并提供相应的结构关系和数值计算方法，对非线性问题进行分析。此外，当结构发生较大变形时，有限元法也能有效处理结构的变形问题，提供准确的应力和变形结果。

（二）装配关系处理

在装配过程中，不同部件之间的连接方式将直接影响到箱体结构的强度和稳定性。例如，可以使用销轴连接、液压缸连接等。选择合适的连接方式需要充分考虑各个部件之间的受力情况和具体的装配要求。这些连接方式需要能够确保各个部件之间的协调运动，并使整体结构更加稳定。在处理装配关系时，需要注意部件之间的位置和相对运动关系。各个部件之间的几何位置关系必须符合设计要求和装配指导，以保证整体结构的准确性和稳定性。通过设定适当的约束和位移边界条件，可以控制各个部件的移动，模拟实际装配过程中的约束情况。

实际装配过程中，由于制造和装配误差的存在，部件之间会产生一定的间隙。这些间隙会影响结构的强度和稳定性。因此，在有限元模型中需要考虑到这些问题，并通过设置适当的间隙或增加摩擦阻尼模型来模拟实际装配环境。装配质量的好坏直接影响整体结构的性能。因此，在模拟装配过程时，需要严格控制各个部件的尺寸和配合精度，并在有限元模型中进行合理的设置。通过合理的装配实现质量控制，可以更准确地模拟和预测箱体结构在实际工作条件下的受力和变形情况。各部件实际 ANSYS 中连接方式见图1.

图1:各部件实际 ANSYS 中连接方式

三、移动式垃圾转运站箱体结构优化设计

（一）整机自重载荷优化

在优化整机自重载荷方面，钢材作为移动式垃圾转运站主要的构造材料，其占据了整机自重的大部分比例。因此，可以考虑选用密度更低但性能相对更高的材料，如高强度钢材或轻质合金材料，来替代传统材料[2]。这样可以在保证结构强度的前提下降低整机的自重。通过有限元分析，可以评估不同材料使用方案的应力和变形情况，并根据分析结果对结构进行调整和优化。例如，可以优化箱体的整体布局、增加支撑结构或引入加强筋等方式来提高结构的刚度和强度，并减小自身重量。

对于不同部位的材料，可以进行局部的重量优化。在整机自重的计算中，可以重点优化具有较大质量或对整机自重影响较大的部件。通过对这些部件的结构形式和材料选用等方面进行优化，可以实现减轻自重的目标。此外，在优化整机自重时还需要综合考虑结构的稳定性和可靠性。在优化设计过程中，需要对整机进行综合性能评估，以确保优化后的结构能够满足强度要求和使用寿命要求。整机各部件质量对比见图2.

图2:整机各部件质量对比

（二）ANSYS 结构优化

1.设定有限元建模、加载、分析等的基本参数。这包括确定材料特性、加载条件、边界条件等，以便在后续的优化分析中建立合适的模型。

2.使用ANSYS的前处理器和求解器来建立模型，并完成加载分析。在前处理阶段，需要构建几何模型、网格生成以及设定各类边界条件。然后，在求解器中进行静力学或动力学分析，获得结构的应力、变形等结果。

3.完成状态变量（约束条件）和目标变量（目标函数）的提取。根据结构的设计要求，提取与约束条件相关的状态变量，如最大应力、位移限制等；同时，确定需要优化的目标变量，如结构重量、最优化的结构强度等。

4.在优化设计器中确定设计变量、状态变量和目标变量。设计变量代表结构的设计参数，可以是尺寸、截面形状、材料厚度等。状态变量和目标变量是通过提取得到的，需要在优化过程中进行限制或优化。

5.选择适当的优化算法和迭代次数，并进行优化分析。ANSYS提供了多种优化算法，如遗传算法、单目标优化算法、多目标优化算法等。通过设置合适的参数和迭代次数，进行优化分析，逐步改进设计，并探索最优解。

6.提取最优解，并验证其合理性。在优化过程中，ANSYS会给出最佳设计方案，此时需要根据工程实际情况分析并验证其是否满足要求，包括结构的强度、以及其稳定性等进行验证。

（三）结构优化结果分析

根据结构优化结果，可以评估优化后的设计方案是否满足强度要求，以及对于材料利用率进行分析[3]。第一，对箱体主体部分的整体等效应力进行比较。优化后的箱体主体部分的整体等效应力相对于优化前的设计有所增大。这可能是由于结构优化的过程中，为了减轻自重、提高结构刚度等目标，导致在一些区域应力有所增加。然而，这并不意味着结构存在强度问题，因为除了个别区域因为简化建模等原因造成的应力集中外，箱体主体部分各区域的等效应力均未超出材料使用应力范围。第二，结构优化后的设计在提高材料利用率方面取得了较好的效果。通过优化设计，结构可以在满足强度要求的前提下尽可能减轻自重，提高结构的性能和使用效率。这意味着在优化后的设计中，材料的使用更加节约，可以有效降低成本和资源消耗。

四、结语：

本文对移动式垃圾转运站箱体进行了全面研究。针对有限元分析的优点进行了分析，研究其在结构分析中的重要作用。在优化过程中，通过整机自重载荷优化和ANSYS软件的结构优化，有效地降低了箱体的重量，提高了结构的性能和使用效率。最后对结构优化结果进行了细致的分析，验证了优化方案的合理性和有效性。本研究结果对于指导移动式垃圾转运站箱体的优化设计具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]陈树勋,张德华,欧阳天成.移动式垃圾转运站翻转机构动力学仿真与优化[J].广西大学学报(自然科学版),2012,37(02):229-234.

[2]肖璇,梁其凯,刘金禄.移动式垃圾转运站箱体有限元分析与优化设计[J].企业科技与发展,2012,(04):12-15.

[3]方婧;李桂超;王暾.基于有限元法的四辊卷板机机架优化设计[J].锻压装备与制造技术,2023,58(05):23-27.