塔機變截面臂架的優(yōu)化設計

塔機變截面臂架的優(yōu)化設計

0減少水平臂架重量,增加內塔式重量臂長，重量大。臂架設計的充分性直接影響重型機器的重量、穩(wěn)定性和承載能力。因此，在保證臂架重量、剛度和整體穩(wěn)定性的前提下，應盡可能減少臂架的重量。水平臂架是一雙向壓彎梁柱構件,內力主要由自重載荷、起升載荷、風載荷產生,因此產生的內力沿臂架長度方向上不同,若采用等截面設計將會造成內力較小處材料浪費,使臂架自重較大,采用變截面設計則可以克服這一缺點。因此,用有限元分析方法,對臂架的強度、剛度進行分析,在前人的基礎上,將每節(jié)臂架之間的高度差作為設計變量,對臂架進行優(yōu)化設計,具有重要的工程意義。1元模型的構建1.1空鋼臂架與根據以QTZ5010塔式起重機臂架為例,其結構是正三角形截面,腹桿體系為三角形,上弦桿是圓鋼管,下弦桿由等邊角鋼拼焊而成。截面尺寸為1.2m×1m,總長48m,由8節(jié)(每節(jié)6m)的臂架通過螺栓和銷軸連接。臂架根部與塔身以固定鉸支座的形式連接,在第2、3節(jié)臂架和第6、7節(jié)臂架連接處有鋼拉桿牽拉。臂架的材料為Q235,鋼拉桿的材料為16Mn(Q345),材料密度為7860kg/m3,泊松比為0.3,彈性模量為2.1E11Pa。1.2beam188梁單元模型在CAD軟件里建立幾何模型再導入ANSYS中分析時,容易丟失數據,劃分網格工作量大,所以在此選擇直接在ANSYS里建立臂架的線框模型。對于臂架結構的上弦桿、下弦桿、下弦桿件的腹桿和上下弦桿之間的腹桿,本文采用Beam188梁單元模擬,對于只承受軸向拉力的拉桿則采用Link8單元模擬。對于Beam188梁單元來說不需要設置實常數,用section功能進行截面定義。由于這里涉及臂架的變截面,每節(jié)臂架有自己的截面尺寸,要對每一個截面進行定義,截面ID號為ij,i表示第i節(jié)臂架,j表示型鋼(j=1為上弦桿的圓鋼管;j=2為下弦桿的角鋼焊接拼成的正方形鋼管;j=3為腹桿圓鋼管),例如:ID號12表示第一節(jié)臂架的下弦桿。第一根拉桿的實常數定義為1,第二根拉桿的實常數定義為2。建立的有限元模型如圖1所示。1.3臂架風荷載和q、風載荷1)約束邊界條件。約束邊界條件一般沒有變化,對于小車變幅式筆架結構,臂架根部與塔機回轉節(jié)之間是通過銷軸相連,可認為是固定鉸支座,約束UX、UY、UZ、ROTX、ROTZ,兩拉桿與塔頂之間約束UX、UY、UZ。2)載荷邊界條件。載荷邊界條件本文主要考慮臂架自重載荷FG、起升載荷FQ、風載荷FW。由于有限元建立的模型是理想化的,一系列的簡化造成模型的重量小于比價的真實質量,所以加載時有必要對重量進行補償,本模型采用密度補償法進行補償。只需施加重力加速度,ANSYS會自動計算出自重載荷。對于起升載荷,不同起升幅度的最大吊重不同,因此起升載荷不同,本文中考慮載荷在最大起重幅度處(4t)、兩吊點中間(2.34t)、最大幅度處(1t)三種工況的情況。另外,當起升質量突然離地升起和下降制動時,起升載荷將對結構(鉛垂方向)和傳動機構產生附加的動載荷,用起升動載系數φ2來表示,即起升載荷乘以一個大于1的起升動載系數φ2(此處取1.2)。風載荷FW=CWPWA(CW為風力系數,取1.3;PW為計算風壓,以最大風速為13m/s計算,PW=103.6Pa;A為迎風面積),風載荷可以以壓強的形式加載臂架迎風面上(CWPW=134.7Pa)。將約束邊界條件和載荷邊界條件施加在有限元模型上進行求解。2優(yōu)化分析2.1臂架的優(yōu)化設計在以往的研究中,以臂架寬度、塔帽高度、上下弦桿截面尺寸等為設計變量的研究較為多見,本文著重研究變截面臂架,因此在這里以上下弦桿、腹桿的截面尺寸和相鄰兩節(jié)臂架之間的高度差為設計變量對塔機臂架進行優(yōu)化設計;由于下弦桿同時兼做變幅小車的軌道,為了使小車行駛平穩(wěn)和保持臂架外形上的連續(xù)性,兩下弦桿之間的距離應保持恒定。設計變量為臂架節(jié)上弦桿之間的高度差Hi(i=1、2…7),如圖2所示。2.2材料的許用應力由于臂架各構件應滿足其強度及剛度的要求,本文的約束條件:計算應力不大于許用值(σmax≤[σ]);計算撓度不大于許用值(fmax≤[f])。許用應力值。其中σs是材料的屈服極限,Q235、Q345材料的屈服極限分別為235MPa、345MPa;ns為安全系數,這里取1.5,計算得出Q235、Q345材料的許用應力分別為1.57E8N/m2、2.30E8N/m2。許用撓度(其中L為臂架長度,根據工況不同分別取6m、24m、48m),計算得出許用撓度分別為0.0252m、0.4032m、1.6128m。2.3桿件面面積li目標函數即為。式中,ρ為材料密度,Ai為各桿件的截面面積,Li為桿件的長度。在此模型中,大部分材料都是Q235,密度為常數,設臂架的總體積為VTOT,質量為WT,則目標函數可簡化為WT=ρ*VTOT。2.4設計變量偏導數優(yōu)化方法是使單個函數(目標函數)在控制條件下達到最小值得傳統方法。有兩種方法可用:零階方法和一階方法。零階方法只用到因變量而不用到它的偏導數;一階方法使用因變量對設計變量的偏導數。本文采用一階方法求解,迭代次數設為30次。3臂架及體的重、以擬合的方式確定于通過優(yōu)化得到三組滿足狀態(tài)變量要求的最優(yōu)設計變量,H分別等于122.88mm、154.64mm、200mm,取最小值122.88mm圓整后得122mm,此時臂架自重3957kg,