基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計

1、 工程與技術(shù) 基于的橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計 馮俊蓮 (中鐵武橋重工股份有限公司 湖北·武漢 430052) 摘 要：針對現(xiàn)行主梁設(shè)計中存在的結(jié)構(gòu)笨重、材料浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，基于ANSYS平臺，構(gòu)造50t-30m橋 式起重機(jī)桁架主梁模型，應(yīng)用ANSYS對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和受力分析；以主梁各截面厚度為優(yōu)化變量，以強(qiáng)度和剛 度指標(biāo)為約束，應(yīng)用ANSYS提供的優(yōu)化方法，進(jìn)行以主梁結(jié)構(gòu)輕量化為目標(biāo)的優(yōu)化計算，得到合理的優(yōu)化結(jié) 構(gòu)。 關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī) 桁架主梁 ANSYS 優(yōu)化 中圖分類號：TM 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2008）04-021-02 采用有限元單元法和優(yōu)化設(shè)計方法

2、，以50t-30m桁架 的形狀（如正方形、三棱柱等）映射到不規(guī)則的區(qū)域（如畸變梁橋式起重機(jī)為研究對象，通過計算機(jī)仿真分析起重機(jī)主 的四邊形、底面不是正多邊形的棱柱等）上面，它所收成的梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，找出最大應(yīng)力和最大變形處，然 網(wǎng)格之間是呈規(guī)則的排列的，分析的精度也很高。但是，它后在此基礎(chǔ)上，完成以結(jié)構(gòu)輕量化為主要目標(biāo)的優(yōu)化計算。 要求劃分區(qū)域滿足一定的拓?fù)錀l件，否則就不能進(jìn)行映射主梁結(jié)構(gòu)靜力分析 網(wǎng)格劃分。一般情況下，ANSYS程序使用的默認(rèn)網(wǎng)格控制 ANSYS程序中的結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計算在固定不 可以使用戶的分析模型生成足夠的網(wǎng)格以便于分析。在這變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，即用于穩(wěn)

3、態(tài)外載引起的系統(tǒng) 種情況下，不必指定任何的網(wǎng)格剖分控制。但是，如果用戶或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。 使用網(wǎng)格剖分控制，則必須在對實體模型網(wǎng)格剖分之前設(shè) 在本文中，結(jié)構(gòu)靜力分析的目的是找出原結(jié)構(gòu)的最大 置網(wǎng)格剖分控制。應(yīng)力和最大變形處，為優(yōu)化設(shè)計作準(zhǔn)備。 網(wǎng)格剖分控制容許用戶建立用于實體模型網(wǎng)格剖分的1.1 有限元分析模型的建立 要素，如單元形狀、中間節(jié)點位置和用于實體模型網(wǎng)格剖分 本文研究的50t-30m桁架梁橋式起重機(jī)主梁橫截面為 的單元尺寸大小。單元網(wǎng)格劃分時要兼顧精度、經(jīng)濟(jì)性和計截面，主弦桿為工字形型鋼，腹桿為角鋼，材料均為普通 算容量。一般情況下，單元劃分越細(xì)、越接近真實求解區(qū)域，碳

4、素鋼Q235，連接形式為焊接，所有構(gòu)件均采用可承受拉、 計算精度就越高，但隨之而來的可能是計算時間、費(fèi)用和內(nèi)壓、彎、扭的梁單元beam188模擬。 存使用量的成倍增加，所以，必須綜合考慮各因素來恰當(dāng)?shù)?參照現(xiàn)有的起重機(jī)系列設(shè)計，對常用的橋式類型起重 確定單元的數(shù)目。機(jī)，桁架跨中高度h及寬度b可在下列范圍選取： 1.3 載荷處理 h（1/121/15）L 通常將主梁作為簡支梁來研究，左端固定，右端簡支。 b（1/21/2.5）h 考慮最危險工況即小車滿載位于主梁中央截面。加載時，還 式中，L為桁架跨度。 應(yīng)考慮主梁自重、小車起制動產(chǎn)生的水平慣性力、風(fēng)載、作 根據(jù)本起重機(jī)的跨度30m,確定桁架截面

5、高度為 業(yè)系數(shù)、動載系數(shù)等。載荷可以施加到幾何模型的關(guān)鍵點2m、寬度為1m。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。 上，也可以施加到有限元模型的節(jié)點上。這兩種情況各有各 自的優(yōu)點和缺點。分別如下： 施加在實體模型上的優(yōu)點是：通過圖形拾取來加載時， 因為實體較小，所以施加時比在有限元模型上進(jìn)行要方便 的多；模型載荷獨立于有限元網(wǎng)格，這樣就不必因為網(wǎng)格重 新劃分而重新加載。 缺點是：不能顯示所有的實體模型載荷；在關(guān)鍵點上 的載荷很難施加上去；網(wǎng)格劃分命令生成的單元處于當(dāng)前 坐標(biāo)系下面，而節(jié)點使用的是整體笛卡兒坐標(biāo)系。 圖主梁整體結(jié)構(gòu) 施加在有限元模型上的優(yōu)點是：因為載荷可以直接施1.2 網(wǎng)格劃分 加在主節(jié)點上，所以

6、在簡化分析時不會有任何問題；可以簡 在ANSYS程序當(dāng)中，網(wǎng)格劃分是在幾何模型建立好 單地選擇所有所需要的節(jié)點，并直接指定約束條件。了之后、最終進(jìn)行求解之前完成的，也就是說，它即可以防 缺點是：只要劃分的網(wǎng)格有任何問題，需要刪除掉所有在加載之前，也可以防在加載之后。 的或者部分的網(wǎng)格單元，重新劃分網(wǎng)格，則用戶必須刪除掉 在ANSYS程序當(dāng)中，有限元的網(wǎng)格是由程序自己來 原有的載荷并在新收成的網(wǎng)格上面施加載荷；對于使用圖完成的，用戶要做的就是通過給出一些參數(shù)與命令來對程 形拾取來加載，特別是在節(jié)點很多時，原來施加在一條線上序?qū)嵭小昂暧^調(diào)控”。總的來說，ANSYS的網(wǎng)格劃分有兩種。 的載荷需要逐個

7、節(jié)點來拾取，原來施加在一個面上的載荷第一種是自由網(wǎng)格劃分，主要用于劃分邊界形狀不規(guī)則的 需要逐個單元面來拾取，非常麻煩。區(qū)域，它所生成的網(wǎng)格相互之間是呈不規(guī)則的排列的。常常 無論如何，在開始求解之前，一定要保證所有的載荷施對于復(fù)雜形狀的邊界選擇自由網(wǎng)格劃分。它的缺點是分析 加在有限元模型上，只有這樣，求解器才可以進(jìn)行求解。精度往往不夠高。第二種是映射網(wǎng)格劃分，該方法是將規(guī)則 科協(xié)論壇年第 4 期（下） 21 工程與技術(shù)1.4 求解 表1 優(yōu)化設(shè)計參數(shù) 對主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，目的是找出最危險工況下 分類 物理含義 范圍 上弦桿翼緣板厚度1/mm 1220的最大應(yīng)力和最大變形，以便進(jìn)行強(qiáng)度和剛度

8、檢驗，進(jìn)而提 上弦桿腹板厚度2/mm 1220 設(shè) 下弦桿翼緣板厚度3/mm 816出優(yōu)化方案。 計 下弦桿腹板厚度4/mm 812 本文按線性靜力分析直接求解后的變形圖和Von Mise 中弦桿翼緣板厚度5/mm 816應(yīng)力云圖如圖2所示。 變 中弦桿腹板厚度/mm 812 量 6 側(cè)腹桿厚度7/mm 610 底腹桿厚度/8/mPma 617160 約束條件 垂向最大撓度/mm 37.5 目標(biāo)函數(shù) 結(jié)構(gòu)總體積 2.4 優(yōu)化方法 圖主梁變形及應(yīng)力云圖 ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法，這兩種方法可以 由圖2可知，主梁的最大變形為34.8mm，而對撓度的 處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。零階方法是一個

9、很完善的處理設(shè)計要求是可達(dá)到主梁跨度的1/800，即37.5mm；主梁的 方法，可以很有效地處理大多數(shù)的工程問題。一階方法基于Von Mise應(yīng)力均小于154MPa，均小于Q235的許用應(yīng)力即 目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的176MPa。所以，該主梁無論是強(qiáng)度還是剛度均有一定的余 優(yōu)化分析。量，材料沒有得到充分利用，主梁質(zhì)量過大，存在進(jìn)一步優(yōu) 除了這兩種方法，ANSYS程序還提供了一系列的優(yōu)化化計算的必要。 工具以提高優(yōu)化過程的效率。例如，隨機(jī)優(yōu)化分析的迭代次優(yōu)化設(shè)計 數(shù)是可以指定的。隨機(jī)計算結(jié)果的初始值可以作為優(yōu)化過 優(yōu)化設(shè)計是一種尋找確定最優(yōu)化設(shè)計方案的技術(shù)。 程的起點

10、數(shù)值。2.1 優(yōu)化設(shè)計的基本概念 優(yōu)化結(jié)果分析 所謂“最優(yōu)設(shè)計”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè) 在所有準(zhǔn)備工作完成之后，執(zhí)行OPEXE進(jìn)行優(yōu)化分計要求，而且所需的支出（如重量、面積體積、應(yīng)力、費(fèi)用等） 析，經(jīng)過26次迭代收斂，得到優(yōu)化結(jié)果。各參數(shù)變化結(jié)果見最小。也就是說，最優(yōu)設(shè)計方案就是一個罪尤效率的方案。 表2，表中各數(shù)值均以根據(jù)起重機(jī)設(shè)計手冊做適當(dāng)圓整。 設(shè)計方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如說：尺寸 表2 主梁主要性能參數(shù)變化（如厚度）、形狀（如過渡圓角的大?。?、支撐位置、制造費(fèi)用、 名稱 優(yōu)化前 優(yōu)化后 1/mm 20 20材料特性等。實際上，所有可以參數(shù)化的ANSYS選項都可 2/

11、mm 16 16以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。這些參數(shù)統(tǒng)稱為優(yōu)化變量，具體分為設(shè)計 3/mm 16 12 4/mm 12 12變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)： 5/mm 16 16 6/mm 12 8 設(shè)計變量為自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè) /mm 10 10計變量的數(shù)值來實現(xiàn)的。每個設(shè)計變量都有上下限，它定義 7 8/mm 10 8了設(shè)計變量的變化范圍。 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力/MPa 154 162 狀態(tài)變量是約束設(shè)計的數(shù)值。它們是“因變量“，是設(shè) 垂向最大撓度/mm 34.8 38.6計變量的函數(shù)。狀態(tài)變量可能會上下限，也可能只有單方面 結(jié)構(gòu)總質(zhì)量/kg 12717 10990的限制，即只有上限或只有下限。

12、注：最大撓度在許用撓度105%范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要 目標(biāo)函數(shù)是要盡量減小的數(shù)值。它必須是設(shè)計變量的 求。函數(shù)，也就是說，改變設(shè)計變量的數(shù)值將改變目標(biāo)函數(shù)的數(shù) 可見經(jīng)過優(yōu)化后，減重效果明顯（減重13.6%），且強(qiáng)度值。 和剛度性能仍滿足要求。2.2 優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型 結(jié)論 構(gòu)成優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型主要包括目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變 針對某型起重機(jī)主梁以輕量化為主要目標(biāo)的優(yōu)化要量和設(shè)計變量。在本文主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，結(jié)構(gòu)輕量化 求，在有限元軟件ANSYS中建立了主梁結(jié)構(gòu)的有限元模是主要目標(biāo)，主要約束條件（即狀態(tài)變量）是構(gòu)件的最大應(yīng) 型和優(yōu)化模型，應(yīng)用ANSYS自帶的優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)力和撓度。根據(jù)前述對主梁

13、的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，取各板材的厚 計，結(jié)果表明：度(1,2,，n)為設(shè)計變量。 主梁減重1727kg，占原設(shè)計總重的13.6%，優(yōu)化效 i 果明顯；優(yōu)化后強(qiáng)度和剛度性能仍滿足要求；除主梁 本文優(yōu)化設(shè)計的最終目的是要在滿足給定的剛度、強(qiáng) 中部構(gòu)件應(yīng)力較大之外，其余構(gòu)件還有一定的強(qiáng)度儲備，如度的約束條件下使起重機(jī)主梁的體積（即質(zhì)量）達(dá)到最小。 進(jìn)一步采用形狀優(yōu)化或拓?fù)鋬?yōu)化的方法，重量還可以進(jìn)一根據(jù)主梁的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型為： 步減輕，應(yīng)力分布還可以更加合理，更有利于材料的充分利 Minf() 用；通過本文對橋式起重機(jī)主梁的仿真設(shè)計，設(shè)計者可 求滿足 （i1,n） 在起重機(jī)主梁研制出來之

14、前對主梁應(yīng)力和變形以及穩(wěn)定性 s.t i il i iu A有N一SY個S較，對為該準(zhǔn)橋確式的起了重解機(jī)。本文的特點就是運(yùn)設(shè)用計有。限A元N軟SY件S max 是設(shè)計中有效簡便的工具，級大地縮短了設(shè)計周期和設(shè)計 max 式中，f()是主梁體積函數(shù)；、 是設(shè)計變量的上、 成本，對于提高設(shè)計能力有現(xiàn)實意義。下限； 是主梁的最大應(yīng)力；是主梁材料的許用應(yīng)il iu力； max主梁的最大撓度；是結(jié)構(gòu)允許的最大撓度。 max 參考文獻(xiàn):2.3 優(yōu)化參數(shù)選擇 陳精一，蔡國忠電腦輔助工程分析使用指南 起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)分析結(jié)果是優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，以此構(gòu) 北京：中國鐵道出版社，造優(yōu)化模型。優(yōu)化是在前述結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 鐘萬勰計算桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)北京：