基于Ansys的汽车起重机伸缩臂参数优化设计

基于ANSYS的汽车起重机伸缩臂参数优化设计丁振兴陶元芳陈艳芬薛孝磊1太原科技大学太原0300242长安大学西安710064摘要针对汽车起重机伸缩臂在设计过程中由于工况复杂、各节臂架尺寸较多无法实现臂架尺寸最优的缺点，对臂架截面尺寸参数采用基于APDL语言的ANSYS进行优化设计计算，在满足应力和变形的情况下实现质量最轻，从而实现了轻量化设计。关键词汽车起重机；伸缩臂；优化设计；APDL语言；轻量化中图分类号TH2136文献标识码A文章编号10010785201301002104ABSTRACTAIMINGATTHESHORTCOMINGTHATTHECOMPLEXWORKINGCONDITIONANDMANYDIFFERENTSIZESOFBOOMSMAKEITIMPOSSIBLETOOBTAINOPTIMUMDIMENSIONOFTHEBOOMDURINGTHEDESIGNOFTELESCOPICBOOMFORTOWERCRANE，THEOPTIMALDESIGNANDCALCULATIONISPERFORMEDFORBOOMSSECTIONALDIMENSIONBASEDONANSYSOFAPDLLANGUAGE，INORDERTOREALIZELIGHTWEIGHTDESIGNUNDERTHEPREMISEOFMEETINGSTRESSANDDEFORMATIONREQUIREMENTSKEYWORDSTRUCKCRANE；TELESCOPICBOOM；OPTIMALDESIGN；APDLLANGUAGE；LIGHTWEIGHT0引言汽车起重机应用于运输、装卸和筑路等场地以及临时吊装作业，伸缩臂架的设计及结构决定了其工作性能2J。然而，由于伸缩臂截面类型及各截面尺寸参数较多，使得在设计臂架时往往不能在满足吊载工况的情况下使臂架自重最轻，而臂架的自重对吊载有重大影响。因此，采用ANSYS软件的APDL语言对伸缩臂架进行参数优化设计，使臂架在满足吊载的情况下达到最轻，从而实现轻量化设计，具有十分重要的意义。1伸缩臂架的建模汽车起重机的伸缩臂架由基本臂、伸缩臂及附加臂组成，同时在臂架里安装有伸缩液压缸以及导向元件，使臂架实现伸缩。如图1所示，伸缩臂典型的截面有四边形、五边形、六边形、八边形以及U形1等类型。以大吨位汽车起重机常用的U形臂架为例，对伸缩臂架进行参数化建模及优化设计。U形臂架第一节臂的截面参数如图2所示，其余臂架截面参数类似。起重运输机械20131口凸口口图2U形臂架截面参数在确定了伸缩臂架的截面类型和参数后，即一21可建立臂架的有限元模型，采用APDL语言建立的参数化有限元模型如图3所示。图4为2节伸缩臂架之间滑块耦合的局部放大图。由于汽车起重机伸缩臂在吊载工作时伸缩臂架之间由滑块接触来传递各种载荷，故在建立伸缩臂模型时需解决滑块与臂架之间的接触问题。采用ANSYS的接触单元可以很好的实现，但因模型规模大，且接触问题属于非线性问题，求解时的反复迭代计算会消耗大量的计算机资源。因此，本论文综合考虑各种因素后采用节点耦合自由度来处理滑块与各伸缩臂架之问的接触。建立了伸缩臂臂架的模型以及划分网格以后，即可进行加载分析图3伸缩臂建模及网格划分图4伸缩臂滑块耦合局部放大图2伸缩臂架的加载分析21载荷施加及约束处理伸缩臂架所受载荷有臂架自重、吊重、风载荷、惯性载荷、偏摆载荷以及起升钢丝绳拉力等。按受力分析将伸缩臂架的载荷分为臂架变幅平面内和旋转平面内载荷。1臂架变幅平面内载荷的计算垂直载荷Q一2，一QPQG起升工况钢丝绳拉力为FM叼由Q、F引起的轴向力FFQCOSAFSCOS3由Q、F引起的轴向力FFQSINTFSSINT2回转平面内载荷的计算吊重偏摆侧向力FHP0TAN0式中0为吊重的偏摆角度03。6。转化到伸缩臂端的风载荷和惯性载荷FB04PWPH式中PW为吊臂侧面迎风面上的风载荷，P为伸缩臂的惯性载荷。PWCPA式中C为风力系数，P工作状态风压，为臂架迎风面积。PH5MA式中为动载系数，A为起动加速度。侧向力FFHFB将上面计算过程采用APDL语言使其参数化，其部分实现程序代码如下SOLUACEL，GX，GY重力KSEL，S，199，2051垂直内力施加FK，ALL，FX，一SWLX7FK，ALL，FY，一SWLY7FK，ALL，FZ，TH7KSEL，S，199，2051绳拉力施加FK，ALL，FX，一FX7FK，ALL，FY，FY7伸缩臂架的约束主要在基本臂的尾部与转台铰接处和铰接液压缸处2个位置。在基本臂尾部起重运输机械20131与转台铰接处，约束2个方向的转动自由度RX，RY和3个方向的平移自由度UX，UY，UZ，释放绕销轴中心旋转的转动自由度RZ，而伸缩臂与变幅液压缸铰接处的约束为所有自由度约束。22求解分析以汽车起重机QZJ20工作时臂架处于最大幅度为24M，且臂架全伸长为30NL，变幅液压缸支撑处至伸缩臂根部垂直距离为52M作为计算工况，分析臂架的受力。图5为起重机伸缩臂在该工况下的等效应力图。Y图5伸缩臂架等效应力图3伸缩臂架的优化31伸缩臂架的优化要素确定ANSYS基于有限元分析的优化设计技术就是在满足设计要求的前提下搜索最优设计方案。基于参数化有限元分析过程的设计优化包括设计变量、约束条件、目标函数以及所采用的优化方法等基本要素。1设计变量DVS设计过程中需要不断修改赋值的设计参数。对于伸缩臂而言，伸缩臂的长度由工作要求决定不可改变，能够作为设计变量的就是伸缩臂截面参数，对于U形臂架，截面的宽B和高日起决定作用，故这里将各节臂架截面的宽和高作为优化设计的设计变量声明优化变量OPVAR，B11，DV，570，6201臂架截面宽B11，B21，B31，B41为设计变量OPVAR，B21，DV，520，569OPVAR，B31，DV，470，519OPVAR，B41，DV，420，470OPVAR，H11，DV，770，8201臂架截面高肌1，421，31，41为设计变量起重运输机械20131OPVAR，H21，DV，720，769OPVAR，H31，DV，650，719OPVAR，H41，DV，600，6492状态变量SVS设计要求满足的约束条件变量参数是设计的因变量，是设计变量的函数。汽车起重机伸缩臂的工作条件为在满足应力和变形的前提下工作，故将臂架的应力和变形作为状态变量OPVAR，DMAX，SV，一70，70；臂架应力和变形DMAX和SMAX为状态变量OPVAR，SMAX，SV，0，20003目标函数OBJECTIVEFUNCTION设计中极小化的变量参数必须是设计变量的函数，即改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在ANSYS优化设计工程中，只能设定一个目标函数。由于伸缩臂架的优化是在满足工作要求应力和变形不超标的情况下使质量最轻，而密度一定，故臂架的体积就可作为优化的目标函数OPVAR，VOLUME，OBJ臂架体积VOLUME为目标函数4优化计算方法优化设计工具ANSYS中提供了2种优化方法零阶方法直接法和一阶方法间接方法。零阶方法是最常用的方法，使用所有因变量状态变量和目标函数的逼近可以处理绝大多数工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，故更加适合于精确的优化分析，但是占用计算机资源多，计算量大。对于臂架的优化而言，采用零阶方法已经足够。32伸缩臂架优化在设置好优化参数后，即可对伸缩臂架执行优化设计。图6为伸缩臂架体积与优化序列号之间的关系曲线图，从中可以看到，在满足应力和变形的约束条件下，第12次优化序列为伸缩臂体积最小的序列，故为最优序列。图7和图8分别为伸缩臂截面高度、宽度与优化序列号之间的关系曲线图。为了方便对伸缩臂架优化设计前后进行比较分析，列出了优化前后臂架截面的相关参数如表L所示。一23G10、|八一LF，|V|、WZ1325476981221436587109序弓号图6伸缩臂体积与优化序列号之间的关系曲线蝗，一一、，、厂厂、。WE、，2序列号图7臂截面高度与优化序列号之间的关系曲线、，T、V、V、，、WZ12】3243546,576871O3序列号图8臂截面宽度与优化序列号之间的关系曲线4总结通过表1对比分析可知，优化后的伸缩臂截面宽度和高度尺寸都比优化前的小很多，而最大应力有所增大，为37413MPA，但汽车起重机伸缩臂都采用高强钢，强度可达600800MPA，故最大应力在许用范围内。由于伸缩臂截面尺寸的减小，从而大幅减小了伸缩臂的体积，进而减小了伸缩臂架的质量，达到了臂架优化设计的目的，一24一表1伸缩臂架优化前后相关参数值优化前优化后B1160057134155052025150O47018145042171L181O77212176172022月3171065034矾164560181DAX5097909787E一03S27109537413实现了轻量化设计。因此，采用基于APDL语言的ANSYS优化设计方法，对汽车起重机伸缩臂架的参数化设计是一种有效实用的优化设计方法。参考文献1王金诺，于兰峰起重运输机金属结构M北京中国铁道出版社，20012张青，张瑞军工程起重机结构与设计M北京化学工业出版社，20083苗明，高原起重机伸缩臂的ANSYS二次开发J起重运输机械，2011353554曾成奇，卫良保起重机伸缩臂变量化建模与有限元分析J机械工程与自动化，2010862655杨晶，李卫民汽车起重机吊臂的有限元分析J辽