基于正交试验设计的脱水压榨机.doc
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基于正交试验设计的脱水压榨机,摘要随着能源越来越紧缺，在洗涤行业，节能节水的隧道式洗衣机装备开始研制生产，脱水压榨机是隧道式洗衣机系统的重要组成部分。脱水压榨机的设计对其性能、质量具有决定性作用。传统的设计方法存在设计周期长、结构笨重、成本高、缺乏对结果的验证等诸多弊端。为此，有必要将有限元结构分析、优化设计等现代设计方法用于脱水压榨机产品设计，以...
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摘要
随着能源越来越紧缺，在洗涤行业，节能节水的隧道式洗衣机装备开始研制生产，脱水压榨机是隧道式洗衣机系统的重要组成部分。脱水压榨机的设计对其性能、质量具有决定性作用。传统的设计方法存在设计周期长、结构笨重、成本高、缺乏对结果的验证等诸多弊端。为此，有必要将有限元结构分析、优化设计等现代设计方法用于脱水压榨机产品设计，以提高产品设计质量，满足脱水压榨机压榨布草的技术需求。
本文以脱水压榨机为研究对象，通过对整机结构特点和受力情况的分析，建立了整机ABAQUS有限元分析模型，并对该脱水压榨机的原始设计进行了整机结构刚度和强度的分析校核；基于正交试验设计和优化设计理论，建立了整机刚度和强度与设计变量之间的关系式，进而建立了以整机重量为目标，以尺寸参数为设计变量，在满足整机静强度、刚度和边界约束条件下的脱水压榨机整机结构优化数学模型；采用MATLAB工具箱中的算法对该数学模型进行求解，得到了最优设计参数。将该参数组合的模型重新进行ABAQUS有限元分析计算，计算结果与原始设计有限元分析结果进行比较。最终得出优化结果：在保证强度和刚度满足工程实际条件的前提下，整机质量减轻8.86%。
本文的研究成果为研究脱水压榨机的结构优化设计奠定了基础，为以后类似的制造装备的结构优化设计提供了一种思路。
关键词：脱水压榨机；优化设计；有限元分析；正交试验设计；MATLAB工具箱
ABSTRACT
With the increasing shortage of energy, in the washing industry, continuous batch washer conducive to energy and water conservation started to be developed and produced. The water extraction press is an important component of the continuous batch washer system. The performance and quality of the press is related directly to its design. There are many problems in traditional design methods such as long design cycle，structure redundancy，high cost and lack of validation. So it is necessary to bring the FEM and optimum design into the design process of the press in order to improve the design quality and fulfill the need of the manufacture industry.
Taking the water extraction press as the research object，this dissertation established the FEM model of the press，and a validation check on the primary design of the press was carried out. And a series of FE numerical experiments were carried out based on the orthogonal experimental method(OEM) and the theory of optimum design. An approximately optimization model for the light weight design of the press was set up based on the FE numerical experiments. The optimization model includes some dimensions parameters. The design constraints are composed of the stiffness and strength of the structure of the press. So the optimization mathematic model aimed at the total mass of press is established. The optimum results are gained and analyzed through the solution to the model by the MATLAB Optimization Toolbox. The FEM model of the press after optimization is established, and then a validation check on the new design of the press was carried out. The results after analysis are compared with the original design of the press. The final optimization results obtained: Reduce the total mass by 8.86% with the strength and stiffness of the press meeting the design conditions.
The research of the paper lays the foundation for the structural optimization of the water extraction press, which can be applied to the other similar manufacturing equipments.
KEY WORDS：Water extraction press；Optimum design；FEA；Orthogonal experimental method；MATLAB Optimization Toolbox
目 录
摘要 I
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2现实意义 2
1.2国内外研究概况和发展趋势 2
1.2.1有限元分析法 2
1.2.2试验设计方法 4
1.2.3优化设计 5
1.3论文的研究内容和工作思路 6
第二章 机械优化设计理论和有限元基本理论 8
2.1引言 8
2.2机械优化设计理论 8
2.2.1优化设计理论概述 8
2.2.2机械优化设计基本理论和方法 8
2.2.3优化设计的数学基础 10
2.3有限元基本理论[24] 13
2.3.1弹性力学基本方程 13
2.3.2弹性力学基本原理 15
2.3.3有限元分析流程 17
2.4本章小结 17
第三章 脱水压榨机关键零部件有限元分析 19
3.1引言 19
3.2 ABAQUS有限元分析软件 19
3.2.1 ABAQUS软件简介 19
3.2.2 ABAQUS实体建模方法 20
3.2.3 ABAQUS单元类型选择 21
3.3脱水压榨机实体模型的建立 21
3.4脱水压榨机有限元模型的建立 23
3.4.1单元选择和网格的划分 24
3.4.2脱水压榨机机身材料属性 26
3.4.3模型的约束及加载 26
3.5计算结果分析 28
3.5.1脱水压榨机关键零件强度分析 28
3.5.2脱水压榨机整体框架变形分析 31
3.6本章小结 33
第四章 基于正交试验法的脱水压榨机机身结构优化 34
4.1引言 34
4.2正交试验设计基本理论 35
4.2.1正交试验设计的基本原理 35
4.2.1正交表及其特性 36
4.2.2正交设计基本程序 37
4.3有限元正交试验设计 39
4.3.1确定因素、水平和指标 39
4.3.2试验分析结果数据处理 41
4.4脱水压榨机机身优化模型的建立 45
4.4.1设计变量 45
4.4.2目标函数的建立 46
4.4.3约束函数 46
4.4.4数学模型的建立 47
4.5 基于MATLAB的优化模型求解 48
4.5.1 MATLAB软件的优化算法简介 48
4.5.2 MATLAB优化函数[45] 49
4.5.3优化结果的分析 50
4.6优化流程总结 51
4.7应用 52
4.8本章小结 53
结论 54
总结 54
展望 54
参考文..
随着能源越来越紧缺，在洗涤行业，节能节水的隧道式洗衣机装备开始研制生产，脱水压榨机是隧道式洗衣机系统的重要组成部分。脱水压榨机的设计对其性能、质量具有决定性作用。传统的设计方法存在设计周期长、结构笨重、成本高、缺乏对结果的验证等诸多弊端。为此，有必要将有限元结构分析、优化设计等现代设计方法用于脱水压榨机产品设计，以提高产品设计质量，满足脱水压榨机压榨布草的技术需求。
本文以脱水压榨机为研究对象，通过对整机结构特点和受力情况的分析，建立了整机ABAQUS有限元分析模型，并对该脱水压榨机的原始设计进行了整机结构刚度和强度的分析校核；基于正交试验设计和优化设计理论，建立了整机刚度和强度与设计变量之间的关系式，进而建立了以整机重量为目标，以尺寸参数为设计变量，在满足整机静强度、刚度和边界约束条件下的脱水压榨机整机结构优化数学模型；采用MATLAB工具箱中的算法对该数学模型进行求解，得到了最优设计参数。将该参数组合的模型重新进行ABAQUS有限元分析计算，计算结果与原始设计有限元分析结果进行比较。最终得出优化结果：在保证强度和刚度满足工程实际条件的前提下，整机质量减轻8.86%。
本文的研究成果为研究脱水压榨机的结构优化设计奠定了基础，为以后类似的制造装备的结构优化设计提供了一种思路。
关键词：脱水压榨机；优化设计；有限元分析；正交试验设计；MATLAB工具箱
ABSTRACT
With the increasing shortage of energy, in the washing industry, continuous batch washer conducive to energy and water conservation started to be developed and produced. The water extraction press is an important component of the continuous batch washer system. The performance and quality of the press is related directly to its design. There are many problems in traditional design methods such as long design cycle，structure redundancy，high cost and lack of validation. So it is necessary to bring the FEM and optimum design into the design process of the press in order to improve the design quality and fulfill the need of the manufacture industry.
Taking the water extraction press as the research object，this dissertation established the FEM model of the press，and a validation check on the primary design of the press was carried out. And a series of FE numerical experiments were carried out based on the orthogonal experimental method(OEM) and the theory of optimum design. An approximately optimization model for the light weight design of the press was set up based on the FE numerical experiments. The optimization model includes some dimensions parameters. The design constraints are composed of the stiffness and strength of the structure of the press. So the optimization mathematic model aimed at the total mass of press is established. The optimum results are gained and analyzed through the solution to the model by the MATLAB Optimization Toolbox. The FEM model of the press after optimization is established, and then a validation check on the new design of the press was carried out. The results after analysis are compared with the original design of the press. The final optimization results obtained: Reduce the total mass by 8.86% with the strength and stiffness of the press meeting the design conditions.
The research of the paper lays the foundation for the structural optimization of the water extraction press, which can be applied to the other similar manufacturing equipments.
KEY WORDS：Water extraction press；Optimum design；FEA；Orthogonal experimental method；MATLAB Optimization Toolbox
目 录
摘要 I
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2现实意义 2
1.2国内外研究概况和发展趋势 2
1.2.1有限元分析法 2
1.2.2试验设计方法 4
1.2.3优化设计 5
1.3论文的研究内容和工作思路 6
第二章 机械优化设计理论和有限元基本理论 8
2.1引言 8
2.2机械优化设计理论 8
2.2.1优化设计理论概述 8
2.2.2机械优化设计基本理论和方法 8
2.2.3优化设计的数学基础 10
2.3有限元基本理论[24] 13
2.3.1弹性力学基本方程 13
2.3.2弹性力学基本原理 15
2.3.3有限元分析流程 17
2.4本章小结 17
第三章 脱水压榨机关键零部件有限元分析 19
3.1引言 19
3.2 ABAQUS有限元分析软件 19
3.2.1 ABAQUS软件简介 19
3.2.2 ABAQUS实体建模方法 20
3.2.3 ABAQUS单元类型选择 21
3.3脱水压榨机实体模型的建立 21
3.4脱水压榨机有限元模型的建立 23
3.4.1单元选择和网格的划分 24
3.4.2脱水压榨机机身材料属性 26
3.4.3模型的约束及加载 26
3.5计算结果分析 28
3.5.1脱水压榨机关键零件强度分析 28
3.5.2脱水压榨机整体框架变形分析 31
3.6本章小结 33
第四章 基于正交试验法的脱水压榨机机身结构优化 34
4.1引言 34
4.2正交试验设计基本理论 35
4.2.1正交试验设计的基本原理 35
4.2.1正交表及其特性 36
4.2.2正交设计基本程序 37
4.3有限元正交试验设计 39
4.3.1确定因素、水平和指标 39
4.3.2试验分析结果数据处理 41
4.4脱水压榨机机身优化模型的建立 45
4.4.1设计变量 45
4.4.2目标函数的建立 46
4.4.3约束函数 46
4.4.4数学模型的建立 47
4.5 基于MATLAB的优化模型求解 48
4.5.1 MATLAB软件的优化算法简介 48
4.5.2 MATLAB优化函数[45] 49
4.5.3优化结果的分析 50
4.6优化流程总结 51
4.7应用 52
4.8本章小结 53
结论 54
总结 54
展望 54
参考文..
