在各类管道中均广泛应用到阀门实施精准控制，而这样的阀门则需要借助于阀门执行器启动开关。若阀门执行器处于极限爆炸的状态工作时，则会导致箱体内部压力增加，极易损坏执行器，因此要求阀门执行器具有较高抗爆性。采用拓扑设计在箱体结构的底部增加加强筋，能够形成良好的使用效果，但为了降低生产成本，则需要基于响应面法优化设计加强筋结构。
1 分析原执行器箱体有限元
1.1建立有限元模型
本文当中所研究的阀门执行器箱体结构底部镶有涡轮轴承座孔以及蜗杆轴承座孔，应用到CATIA软件建立阀门执行器箱体模型，并将这一模型向ZNSYS导入。清理阀门执行器箱体模型中的几何特征，简化网格条件，去掉其中的不必要特征。在划分网格的过程中需要应用到四面体结构，并将其分为374569以及586924个节点的有限元模型结构，基于实体单元组成，则能够进一步分析执行器箱体结构的相应条件。处于这样的情况下，分析阀门执行器箱体具有0.33的泊松比，且整体材料为铸铝结构，并具有71GPa的弹性模量，具体密度经过模型分析之后发现为2770kg/m3，且屈服强度参数最高为255MPa[1]。
1.2边界条件及计算结果
当阀门执行器处于正常运行状态时，则箱体结构处于固定不动状态，因此，则需要加固约束箱体结构的前端面位置，若当阀门执行器的工作状态处于爆炸极限状态时，则箱体结构内表面以及其本身承受的压力状态参数为2.5MPa。则对这样的阀门执行器箱体应力数值进行计算，发现内部结构所承受的压力参数相对较小，最大的应力参数也仅仅为41.95MPa，而连接箱体结构底面处的内壁部分则相应的呈现出相对较大的应力参数。箱体结构材料为铸铝，其实际的屈服强度实际为255MPa，则此时所形成的最大应力承受值则为136.02MPa。而设计时的安全系数设定为0.2，不难发现箱体结构的实际抗爆效果无法达到设定的需求强度，产生这一问题的主要原因则为箱体底面结构难以形成更加良好的承压强度效果，则需要对箱体结构的底部强度进行优化设计
2 拓扑优化设计
对阀门执行器的箱体结构实施拓扑优化设计，其本质上则是基于在实际当中的约束条件问题，寻找适合箱体结构的最佳传力路径以及布局形式。而结合上述分析发现，阀门执行器箱体结构的底面无法形成较强的承压状态，其本身的强度不足，则需要与应用到加强筋或是加厚底面的方式进行优化。为了能够选择最佳的优化设计，提升阀门执行器的箱体结构性能，则需要模拟拓扑优化设计，根据优化结果选择相应的加固方式。
在阀门执行器箱体结构的设计当中，最为重要的三大设计要素就是约束条件、目标函数以及设计变量。其中约束条件则是限制目标函数以及其他变量性能的相应要求；目标函数则是优化设计中设定最优解的性能目标，所形成的函数与设计变量存在一定的关联；而设计变量则是设定参数变化，通过调整变量则能够实现性能的有效提升。在本次的阀门执行器箱体结构优化中，设计变量则选种材料单元的密度参数，约束条件则选择为箱体结构的体积分数以及刚度参数，目标函数则为箱体结构的整体柔度参数。以上三个要素分别设定为h、g、p，则所形成的数学模型为
设计变量:X= dev(desigh)单元网格密度（优化设计范围）
响应类型:h(x)= dis,静力学位移
g(x)=vol,体积分数
p(x)=Compl.箱体柔度
约束条件:h(x)≤0.2 mm,
g(x)≤0.3.
目标函数: f(x)= min(p(x)).
在该数学模型当中，所形成的实际参数约束则为30%的质量分数上限，不超过0.2mm的涡轮轴承座孔变形量。
通过分析可知，阀门执行器箱体结构中的主要问题则是底面结构不足的承压强度，因此，设计区域则为箱体结构的底面，完成模型的构建之后，则以密度拓扑的方式对其进行优化。结合阀门执行器箱体的结构分析发现，其中轴承座孔以及底部结构的边缘材料密度相对较大，则可以保留，并去除相应的密度相对较小的材料单元。观察底部结构，形成的传力路径则为鲜明的放射状结构，则最佳的加固箱体底部的方式则为加强筋方式。
3 阀门执行器一次优化设计
根据拓扑环节完成的结果对阀门执行器箱体结构进行优化设计，需要在底部结构当中相应的增加加强筋，则能够保障箱体结构刚度的贡献值仍旧处于相对较好的状态。考虑到本文当中涉及到的阀门执行器本身的传力路径呈现出放射状效果，在一定程度上具有复杂设计难度，因此，则对应传力路径形成均匀的7根加强筋。以矩形截面进行设计，便于加工，截面尺寸参数选择5mm的深度以及6mm的宽度完成一次设计。
4 执行器箱体尺寸优化设计
一次设计中的截面尺寸设计则主要是基于设计经验所形成的加强筋优化，而根据材料布局要求，则需要形成更加优化的轻量化设计结构。
4.1分析箱体灵敏度
分析箱体结构的灵敏度则主要是分析加强筋的截面尺寸变化下对箱体结构性能所造成的影响，则是优化设计箱体体量的基础所在[2]。基于这样的问题，分析灵敏度之后，则能够获取截面尺寸对箱体结构所产生的影响，从而基于体量减轻进行相应的优化。其中的设计变量则为加强筋结构的深度值V以及宽度值H。经过分析发现，当加强筋越宽时，则会缩小箱体的最大变形程度，从而相应的增加箱体质量以及应力条件。而深度越深时，则会相应的降低最大变形程度的同时，减小应力，增加箱体体量。因此则可以证明，阀门执行器箱体结构的强度以及刚度等性能表现均受到加强筋深度以及宽度的影响，则可以在优化设计中将二者视为设计变量。并且由于难以统一两个参数的不同性能指标，则需要形成更大的设计范围，完善设计效果。
4.2轻量化优化设计
因此根据这样的灵敏度分析结果，则可以为加强筋的优化设计相应的尺寸范围值，其中H的截面宽度优化设计所设定的可参考范围值为4.5~7.5mm之间，而加强筋的深度V优化设计的范围值则可以设定为3.5~6.5mm之间，从而以响应面法优化设计阀门执行器的质量参数。取阀门执行器箱体结构质量以及变形量最小的目标函数，设置0~127.5MPa区间的应力值，则获取二次优化设计完成后的对比参数，发现当宽度为4.8，深度为4.0，应力值为110.46MPa，变形量为0.12338mm时，最终的箱体结构质量最轻，达到3.21612kg。基于这样的加强筋优化设计完成的结果，对比阀门执行器的箱体刚度与强度的性能表现。发现在二次设计之下，相较于一次设计的结果，箱体结构的变形程度下降了24%，应力变化下降了18%，而箱体结构的质量则相应的提升了0.23%。尽管在二次优化设计之后箱体结构的质量有所增加，但是箱体整体的应力以及变形等均呈现出相对更好的性能表现，能够为阀门控制器行形成更加合理的结构表现，提升阀门控制器的抗爆性，优化设计十分成功。
结束语：通过对阀门控制器的有限元进行分析，确定了以拓扑结构优化的方式确定了执行器箱体结构所需优化的位置以及所采用的加强筋方式。在此基础上则需要保障箱体结构性能仍旧处于相对较为良好的状态，应用响应面法进行二次优化设计。不仅能够实现轻量化设计，也能够保障阀门控制器的使用性能有所提升。
参考文献：
[1]鲁春艳. 阀门执行器箱体加强筋优化设计与分析[J]. 机械工程与自动化,2021,(06):1-3+6.
[2]王敏,万长东,苏振驰. 直行程电动阀门执行器支架优化设计与测试[J]. 机械设计与制造,2021,(01):130-133.