基于SolidWorks 的搅拌器结构优化设计

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摘要：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。

关键词：搅拌器；有限元分析；优化设计；

Abstract: the design of the mixer has been using experience design method, this article through SolidWorks its modeling and parametric design, and using the Simulation analysis of the function of Simulation model is established by the finite element analysis. Finally, through the optimization function half-and-half blender SolidWorks, the optimization design model, and get the optimal mixing board thickness. The method for half a blender structure analysis and optimization design provides a new way of thinking.

Keywords: blender; The finite element analysis; Optimization design;

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

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[1]。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370 MPa, 屈服强度为235 MPa, 质量密度为7860 kg /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 [2] 。

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。

[1]惠烨，李翔， 王长浩，等．基于SolidWorks包装容器结构参数化设计[J] . 包装工程，2007，28(12)：119- 120．

[2]李扬，李光．基于SolidWorks的托盘结构有限元分析及优化设计[J].包装工程，2011，32（19）：1-4.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。