基于ANSYS的桥式起重机主梁优化设计.doc

工程与技术 基于的桥式起重机主梁优化设计 冯俊莲 (中铁武桥重工股份有限公司 湖北武汉 430052) 摘 要：针对现行主梁设计中存在的结构笨重、材料浪费严重的问题，基于ANSYS平台，构造50t-30m桥 式起重机桁架主梁模型，应用ANSYS对其进行结构和受力分析；以主梁各截面厚度为优化变量，以强度和刚 度指标为约束，应用ANSYS提供的优化方法，进行以主梁结构轻量化为目标的优化计算，得到合理的优化结 构。 关键词：桥式起重机 桁架主梁 ANSYS 优化 中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2008）04-021-02 采用有限元单元法和优化设计方法，以50t-30m桁架 的形状（如正方形、三棱柱等）映射到不规则的区域（如畸变梁桥式起重机为研究对象，通过计算机仿真分析起重机主 的四边形、底面不是正多边形的棱柱等）上面，它所收成的梁的强度、刚度和稳定性，找出最大应力和最大变形处，然 网格之间是呈规则的排列的，分析的精度也很高。但是，它后在此基础上，完成以结构轻量化为主要目标的优化计算。 要求划分区域满足一定的拓扑条件，否则就不能进行映射主梁结构静力分析 网格划分。一般情况下，ANSYS程序使用的默认网格控制 ANSYS程序中的结构静力分析是用来计算在固定不 可以使用户的分析模型生成足够的网格以便于分析。在这变的载荷作用下结构的效应，即用于稳态外载引起的系统 种情况下，不必指定任何的网格剖分控制。但是，如果用户或部件的位移、应力、应变和力。 使用网格剖分控制，则必须在对实体模型网格剖分之前设 在本文中，结构静力分析的目的是找出原结构的最大 置网格剖分控制。应力和最大变形处，为优化设计作准备。 网格剖分控制容许用户建立用于实体模型网格剖分的1.1 有限元分析模型的建立 要素，如单元形状、中间节点位置和用于实体模型网格剖分 本文研究的50t-30m桁架梁桥式起重机主梁横截面为 的单元尺寸大小。单元网格划分时要兼顾精度、经济性和计截面，主弦杆为工字形型钢，腹杆为角钢，材料均为普通 算容量。一般情况下，单元划分越细、越接近真实求解区域，碳素钢Q235，连接形式为焊接，所有构件均采用可承受拉、 计算精度就越高，但随之而来的可能是计算时间、费用和内压、弯、扭的梁单元beam188模拟。 存使用量的成倍增加，所以，必须综合考虑各因素来恰当地 参照现有的起重机系列设计，对常用的桥式类型起重 确定单元的数目。机，桁架跨中高度h及宽度b可在下列范围选取： 1.3 载荷处理 h（1/121/15）L 通常将主梁作为简支梁来研究，左端固定，右端简支。 b（1/21/2.5）h 考虑最危险工况即小车满载位于主梁中央截面。加载时，还 式中，L为桁架跨度。 应考虑主梁自重、小车起制动产生的水平惯性力、风载、作 根据本起重机的跨度30m,确定桁架截面高度为 业系数、动载系数等。载荷可以施加到几何模型的关键点2m、宽度为1m。结构模型如图1所示。 上，也可以施加到有限元模型的节点上。这两种情况各有各 自的优点和缺点。分别如下： 施加在实体模型上的优点是：通过图形拾取来加载时， 因为实体较小，所以施加时比在有限元模型上进行要方便 的多；模型载荷独立于有限元网格，这样就不必因为网格重 新划分而重新加载。 缺点是：不能显示所有的实体模型载荷；在关键点上 的载荷很难施加上去；网格划分命令生成的单元处于当前 坐标系下面，而节点使用的是整体笛卡儿坐标系。 图主梁整体结构 施加在有限元模型上的优点是：因为载荷可以直接施1.2 网格划分 加在主节点上，所以在简化分析时不会有任何问题；可以简 在ANSYS程序当中，网格划分是在几何模型建立好 单地选择所有所需要的节点，并直接指定约束条件。了之后、最终进行求解之前完成的，也就是说，它即可以防 缺点是：只要划分的网格有任何问题，需要删除掉所有在加载之前，也可以防在加载之后。 的或者部分的网格单元，重新划分网格，则用户必须删除掉 在ANSYS程序当中，有限元的网格是由程序自己来 原有的载荷并在新收成的网格上面施加载荷；对于使用图完成的，用户要做的就是通过给出一些参数与命令来对程 形拾取来加载，特别是在节点很多时，原来施加在一条线上序实行“宏观调控”。总的来说，ANSYS的网格划分有两种。 的载荷需要逐个节点来拾取，原来施加在一个面上的载荷第一种是自由网格划分，主要用于划分边界形状不规则的 需要逐个单元面来拾取，非常麻烦。区域，它所生成的网格相互之间是呈不规则的排列的。常常 无论如何，在开始求解之前，一定要保证所有的载荷施对于复杂形状的边界选择自由网格划分。它的缺点是分析 加在有限元模型上，只有这样，求解器才可以进行求解。精度往往不够高。第二种是映射网格划分，该方法是将规则 科协论坛年第 4 期（下） 21 工程与技术1.4 求解 表1 优化设计参数 对主梁结构进行静力分析，目的是找出最危险工况下 分类 物理含义 范围 上弦杆翼缘板厚度1/mm 1220的最大应力和最大变形，以便进行强度和刚度检验，进而提 上弦杆腹板厚度2/mm 1220 设 下弦杆翼缘板厚度3/mm 816出优化方案。 计 下弦杆腹板厚度4/mm 812 本文按线性静力分析直接求解后的变形图和Von Mise 中弦杆翼缘板厚度5/mm 816应力云图如图2所示。 变 中弦杆腹板厚度/mm 812 量 6 侧腹杆厚度7/mm 610 底腹杆厚度/8/mPma 617160 约束条件 垂向最大挠度/mm 37.5 目标函数 结构总体积 2.4 优化方法 图主梁变形及应力云图 ANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法可以 由图2可知，主梁的最大变形为34.8mm，而对挠度的 处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理设计要求是可达到主梁跨度的1/800，即37.5mm；主梁的 方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于Von Mise应力均小于154MPa，均小于Q235的许用应力即 目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的176MPa。所以，该主梁无论是强度还是刚度均有一定的余 优化分析。量，材料没有得到充分利用，主梁质量过大，存在进一步优 除了这两种方法，ANSYS程序还提供了一系列的优化化计算的必要。 工具以提高优化过程的效率。例如，随机优化分析的迭代次优化设计 数是可以指定的。随机计算结果的初始值可以作为优化过 优化设计是一种寻找确定最优化设计方案的技术。 程的起点数值。2.1 优化设计的基本概念 优化结果分析 所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设 在所有准备工作完成之后，执行OPEXE进行优化分计要求，而且所需的支出（如重量、面积体积、应力、费用等） 析，经过26次迭代收敛，得到优化结果。各参数变化结果见最小。也就是说，最优设计方案就是一个罪尤效率的方案。 表2，表中各数值均以根据起重机设计手册做适当圆整。 设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸 表2 主梁主要性能参数变化（如厚度）、形状（如过渡圆角的大小）、支撑位置、制造费用、 名称 优化前 优化后 1/mm 20 20材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可 2/mm 16 16以进行优化设计。这些参数统称为优化变量，具体分为设计 3/mm 16 12 4/mm 12 12变量、状态变量和目标函数： 5/mm 16 16 6/mm 12 8 设计变量为自变量，优化结果的取得就是通过改变设 /mm 10 10计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义 7 8/mm 10 8了设计变量的变化范围。 结构最大应力/MPa 154 162 状态变量是约束设计的数值。它们是“因变量“，是设 垂向最大挠度/mm 34.8 38.6计变量的函数。状态变量可能会上下限，也可能只有单方面 结构总质量/kg 12717 10990的限制，即只有上限或只有下限。 注：最大挠度在许用挠度105%范围内，满足设计要 目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的 求。函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数 可见经过优化后，减重效果明显（减重13.6%），且强度值。 和刚度性能仍满足要求。2.2 优化设计的数学模型 结论 构成优化问题的数学模型主要包括目标函数、状态变 针对某型起重机主梁以轻量化为主要目标的优化要量和设计变量。在本文主梁结构优化的过程中，结构轻量化 求，在有限元软件ANSYS中建立了主梁结构的有限元模是主要目标，主要约束条件（即状态变量）是构件的最大应 型和优化模型，应用ANSYS自带的优化模块进行优化设力和挠度。根据前述对主梁的结构分析结果，取各板材的厚 计，结果表明：度(1,2,，n)为设计变量。 主梁减重1727kg，占原设计总重的13.6%，优化效 i 果明显；优化后强度和刚度性能仍满足要求；除主梁 本文优化设计的最终目的是要在满足给定的刚度、强 中部构件应力较大之外，其余构件还有一定的强度储备，如度的约束条件下使起重机主梁的体积（即质量）达到最小。 进一步采用形状优化或拓扑优化的方法，重量还可以进一根据主梁的结构形式，其结构优化设计的数学模型为： 步减轻，应力分布还可以更加合理，更有利于材料的充分利 Minf() 用；通过本文对桥式起重机主梁的仿真设计，设计者可 求满足 （i1,n） 在起重机主梁研制出来之前对主梁应力和变形以及稳定性 s.t i il i iu A有N一SY个S较，对为该准桥确式的起了重解机。本文的特点就是运设用计有。限A元N软SY件S max 是设计中有效简便的工具，级大地缩短了设计周期和设计 max 式中，f()是主梁体积函数；、 是设计变量的上、 成本，对于提高设计能力有现实意义。下限； 是主梁的最大应力；是主梁材料的许用应il iu力； max主梁的最大挠度；是结构允许的最大挠度。 max 参考文献:2.3 优化参数选择 陈精一，蔡国忠电脑辅助工程分析使用指南 起重机主梁结构分析结果是优化设计的基础，以此构 北京：中国铁道出版社，造优化模型。优化是在前述结构分析的基础上进行的。 钟万勰计算杆系结构力学北京：水