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某碳素廠大型臺車(跨度約20m)在行走時易發(fā)生偏移，為此設計了一種液壓糾偏機構，該機構安裝在臺車兩側，主要由導向輪、安裝支架、推力油缸等組成，在臺車行走時推力油缸將導向輪推出頂在臺車旁邊的導軌上，臺車因受反向推力而可避免向前行走時偏移軌道。由于該機構中的油缸推力較大(約500kN)，對整個裝置的強度有著較高的要求。因此，在設計初期對液壓糾偏機構進行有限元分析并對其結構進行優(yōu)化，以獲得合理的設計參數，具有重要的工程應用價值。
近年來，針對工程實際中需解決的結構強度問題，很多學者采用有限元方法進行分析。王春華等分別采用UG，ANSYS等軟件對研究對象進行有限元分析，求得分析結果，為工程設計提供依據；而對機械結構優(yōu)化問題的研究，也從傳統(tǒng)方法轉向了借助有限元軟件進行分析，主要是借助ANSYS軟件的優(yōu)化設計模塊對分析對象進行優(yōu)化并尋求結構改進。根據液壓糾偏機構的初步設計參數，建立三維模型如圖所示。以初步設計的液壓糾偏機構為研究對象，借助ANSYS軟件的APDL參數化語言，建立液壓糾偏機構的參數化有限元模型，分析該機構的靜強度;建立液壓糾偏機構的優(yōu)化模型，采用零階優(yōu)化方法進行求解，得到最優(yōu)設計參數，并以此為依據重新設計制作液壓糾偏機構并應用于工程實踐。
對液壓糾偏機構進行適當簡化，并在ANSYS中建立簡化后的三維模型，其材料彈性模量E=2.06xe11Pa，密度p=7.8xe3kg/m3，泊松比0.3，采用SOLID45三維實體單元對該模型劃分有限元網格，并施加邊界條件和計算載荷，如圖所示，共計122245個單元，31560個節(jié)點。計算工況為：該機構頂端施加固定約束，側面與推力油缸連接部分施加500kN的正壓力。在ANSYS中進行強度分析，得到計算工況下液壓糾偏機構的綜合位移云圖和等效應力云圖，分別如圖所示。分析表明，該機構的最大變形量為0.853mm，位于機構底部的底板處；最大等效應力為123MPa，位于H型鋼與安裝支架連接處，其剛度與強度均滿足要求。但該機構總重量達到1006kg，各部件質量較大，需考慮進一步優(yōu)化，以達到輕量化的目的。
選取液壓糾偏機構的部分結構參數為設計變量，設計變量的初始值及取值范圍見表。為保證優(yōu)化后液壓糾偏機構仍滿足剛度與強度要求，取該機構的最大綜合位移和最大等效應力為狀態(tài)變量，如式中：umax，vmax為優(yōu)化過程中每次迭代機構的最大綜合位移、最大等效應力。為初始設計時機構的最大綜合位移、最大等效應力。為實現(xiàn)液壓糾偏機構的輕量化，取機構總體積為優(yōu)化目標，目標函數如式：Vum勸為優(yōu)化過程中每次迭代機構的總體積。因此，液壓糾偏機構結構優(yōu)化的數學模型如式：根據結構優(yōu)化的數學模型，建立液壓糾偏機構的優(yōu)化設計模型，編寫APDL命令流循環(huán)求解程序，采用零階優(yōu)化方法對該結構進行優(yōu)化分析。求解程序迭代至第巧步時收斂，目標函數和狀態(tài)變量的迭代曲線分別如圖所示。優(yōu)化后此糾偏機構的最優(yōu)設計參數如表所列。優(yōu)化后，液壓糾偏機構的重量為834kg，較優(yōu)化前減輕了17.1%，最大綜合位移和最大等效應力依然滿足設計要求，可見優(yōu)化效果良好。根據結構優(yōu)化圓整后的結果，修改液壓糾偏機構的結構設計參數，并進行制作，制作完成后的液壓糾偏機構如圖所示，目前使用效果良好。
為防止臺車在行走過程中偏離軌道，設計了液壓糾偏機構；在ANSYS軟件中建立了基于APDL的液壓糾偏機構參數化有限元模型，分析結果表明，初始設計參數下機構的靜強度滿足設計要求;為實現(xiàn)液壓糾偏機構的輕量化，建立了液壓糾偏系統(tǒng)的優(yōu)化模型，并采用零階優(yōu)化方法進行求解，結果表明，在結構強度滿足設計要求的情況下，優(yōu)化后機構的重量減輕了17.1%；根據優(yōu)化求解得到的最優(yōu)設計參數，重新設計并制作了液壓糾偏機構，并付諸使用，使用情況良好。
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