本文利用有限元分析軟件ANSYS建立HFZS1640型振動篩篩箱結構的參數化有限元模型。通過諧響應分析求出振動篩工作狀態下的動應力分布，并以篩箱各板厚度為設計變量，動應力為狀態變量，總質量為目標函數，通過零階法對篩箱結構進行優化計算，給出振動篩結構的優化設計方案，從而實現振動篩結構設計中采用精確計算代替近似計算，用優化設計代替經驗設計。這種方法既能保證篩箱強度，又使篩箱整體的應力分布更加均勻化，得到較為滿意的設計結果，是篩箱設計的一種行之有效的方法。
1、有限元模型的建立及強度分析
1.1 參數化有限元模型的建立
HFZS1640型振動篩是一種直線振動篩，其結構主要由篩箱、激振器和彈簧等部件組成。篩箱是由大梁、橫梁、側板、布料盤、底板和加強肋等零部件組成的空間板梁組合結構，整個篩箱由4個橡膠彈簧支撐在底座上。激振器由2個同速反向旋轉的激振電機和電機主軸上的偏心質量組成，激振電機通過螺栓與篩箱聯接。激振電機旋轉產生慣性力，使篩箱做直線運動。
由于篩箱部分主要以板材為主，因此在單元劃分時，主要采用ANSYS單元庫里的she1163單元，以各板厚度為參數建立參數化有限元模型。用com-bine14單元模擬彈簧，其中彈簧的橫向剛度通過在橫向加combine14單元來模擬，按照篩箱與底座固結的實際位置施加彈簧單元邊界條件。用質量單元模擬激振器。該模型的總節點數為10 421，殼單元數為21 462，彈簧單元數為52，質量單元數為6。其有限元模型如圖1所示。
1.2 HFZS1640型振動篩的強度分析
振動篩在工作過程中不僅承受較大的激振力，而且側板和上、下橫梁上還分布著很大的慣性力，使得側板和梁產生較大的動應力。通過模擬激振器工作狀態，應用ANSYS對HFZS1640型振動篩進行了動態分析，得到了篩箱在工作時的動應力分布云圖，如圖2所示。從圖上可以看出，除最大動應力發生在側板入料端與上橫梁的連接部位的加強肋處(其值為41.2 MPa)外，其他部位的應力值都比較低，均小于國家規范對振動篩設計要求規定的許用動應力值24.5 MPa。這說明在激振力的作用下，入料端上橫梁與篩箱側板的連接部位變形及應力值最大，而其他處應力值能滿足強度要求。
2、HFZS1640型振動篩的優化設計
2.1優化問題一般數學模型
基于有限元分析的尺寸優化數學模型可描述如下：設有n個設計變量X=[Xl，X2，…，%]，在滿足g(x)和h(X)的約束條件下，求目標函數f(X)最小。
2.2 ANSYS優化步驟
將上面求解的各節點處應力值按降序排列，提取最大值并賦給相應的參數做為狀態變量，將滿足強度條件下的總質量最小作為目標函數。生成一個用參數定義模型并指定設計變量、狀態變量和目標函數的分析文件。由這個文件可以自動生成優化循環文件，用來進行優化循環迭代。本文以各板厚度為設計變量，一共有8個設計變量。以振動篩許用動應力為約束條件，這里取約束條件為動應力不超過24.5 MPa。對于設計變量和狀態變量分別定義最大值和最小值。選擇零階優化方法(Sub - Prob-lem)，其中可控制的最大迭代次數為30。
2.3優化結果及分析
(1)優化結果
優化收斂誤差取e=0.5，優化經20次迭代后收斂，最優結果在第19步。表I給出優化前后設計變量、狀態變量以及目標函數的變化情況。同時優化后的振動篩篩箱結構的等效應力場分布如圖4所示。
(2)結果分析
由表1可見，優化后振動篩篩箱結構的設計變量都發生變化。主要表現在：側板和橫梁尺寸比優化前都明顯增加，大梁尺寸和加強肋則有所減少，優化后動應力最大值為22.5 MPa，小于許用應力24.5MPa，滿足了振動篩強度的要求，優化后整體質量也有所增加。
從圖4知，優化前側板入料端與上橫梁的連接部位的加強肋處的應力集中嚴重，經優化后應力集中得以明顯改善。且優化后結構的應力分布較優化前更為均勻，這說明經過優化后篩箱結構達到了最佳的配置。可見用各板厚度作為設計變量進行優化是有效的。
3、結語
有限元方法是振動篩設計的重要手段，它克服以往靠經驗和模仿的設計狀態，避免簡化計算帶來的設計誤差，提高了設計效率和設計精度。基于有限元法的參數化建模可以快速動態地修改模型，動態得到各種分析結果，并可以進行優化分析。改變振動篩各板厚度對振動篩強度影響較大，優化設計計算給出了振動篩各板厚度在滿足強度要求下的最優值。
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