ANSYS在桁架结构门机主梁优化设计中的应用.doc

施工技术 Construction TechnologyANSYS在桁架结构门机主梁优化设计中的应用The Application of ANSYS into Optimizing Design of Main Beam in Joist Portal Crane 武威核工业同心起重设备有限公司张志鑫/ZHANG Zhixin 摘要：以大型有限元软件ANSYS为工具，建立了30t-42m门式起重机桁架主梁的模型，分析并计算其强度和挠度; 利用ANSYS软件中的APDL优化编程与计算，取得主梁最佳结构参数，完成以结构最轻量化为主要目的的优化设计。 关键词：起重机ANSYS强度挠度有限元法结构优化 以有限元软件ANSYS为工具，建立30t-42m起重机 30t-42m桁架起重机主梁横截面为截面，主弦桁架主梁的有限元模型，通过载荷步，模拟起重机小 杆为工字形型钢，腹杆为角钢，材料均为普通碳素钢车沿起重机主梁方向运动时的移动载荷，分析并计算 Q235，连接形式为焊接，所有构件均采用可承受拉、压、起重机主梁的强度和挠度；从主梁应力分布情况以及 弯、扭的梁单元BEAN189单元模拟。最大主应力量值，探究起重机主梁结构优化的可能性， 参照现有的起重机系列设计，桁架主梁跨中高度h利用ANSYS结构优化模块对主梁构件的结构参数进行 及宽度b可在下列范围选取：h(1/121/15)L ，b(1/2APDL优化编程与计算，获取主梁最佳结构参数，完成 1/2.5)h。以结构轻量化为主要目标的优化计算。 式中，L 为桁架跨度。根据本起重机的跨度42m,确 定桁架主梁截面高度为3.0m、宽度为1.5m。起重机主 梁建模的有关参数如表1所示。1起重机主梁有限元模型1.1 起重机主梁有限元模型的简化和假设 依据有限元理论和所建立的数学模型，对门式起 RTR管线抹胶实例图片见图3。 （6）对口，管道对口时要缓慢的插入，当插入的距 离大于90%后，可稍微旋转稍微转动管直径的四分之 一，使其达到插入位置，如果仍不能完全插入则应用橡 皮锤或者木块均匀的敲击端头使其插入。对于大管径 图2 或长管段承插口应采用拉紧器协助插入。插入时绝对禁薄抹均匀，同时用力挤压，保证全抹到，第二层涂抹要求 止过大转动（超过稍微转动管直径的四分之一）或者来均匀，涂抹的厚度承口为0.50.8mm，插口为0.81mm。 回转动。用水平尺和角尺调整管与管件的水平度和垂直涂抹要迅速，特别是现场安装没有遮荫时。要将抹胶、粘 度，达到安装要求。结处理的时间严格控制在固化时间之内。 综上所述，通过整个项目施工过程中的不断总结，包 括粘接工培训、预制厂预制、现场安装，感受到本施工方 法与国内同类的以及我公司施工的内容相比，具有较大的 优越性和借鉴性，主要体现在：坡口机简单实用，尤其配 合尺的使用，能够达到较高的精度；操作性强，适用范 围广，不仅可以在预制厂，也可以在现场安装中使用。 收稿日期：2009-05-17 通讯地址：吉林省吉林市龙潭区遵义东路31号 图3 中油吉林化建市场开发部(132021)90 CMTM 2009.08 产品 技术 Product & Technology表1起重机主梁建模参数表 表2有限元模型载荷表工作级别主梁跨度起吊重量 风载荷 主梁自重 动载系数 启动或制动 起吊载荷N 风载荷P 自重G中级 42m 30t 工作风压150Pa软件自动计算 1.1 时的惯性力F 大小 2重机的主梁进行分析时,对其有限元模型作了相应的简 38.5 tf 150 n/m ma mg化和如下的假设： 方向 垂直向下 水平 水平 垂直向下 （1）假定材料均匀分布各向同性； 力的性质 集中力 均布力 惯性力 惯性力 （2）主梁在工作状态时，要受到风力等其它力因素 有限元中 FK、F Lsel， Acel，0.327，0，0Acel，0，9.8，0 加载命令 Sfbeam的影响，采用空间梁单元； （3）小车所受载荷简化为四个集中力，分别放置于 梁进行有限元动态分析，APDL是ANSYS一个强大二次小车四个轮子作用点的位置； 开发软件，是用来自动完成有限元常规分析操作或通过 （4）大车下的行走机构等简化为模型有约束的支 参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，是完成优化承点； 设计和自适应网格的主要基础。进行有限元分析的标准 （5）主梁上的小车轨道及电动葫芦的轨道只考虑 过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果。其质量因素。 2.2 起重机小车沿X方向运动时主梁强度和挠度分析1.2起重机主梁有限元模型与网格化 有限元的静态线性强度分析是基于线弹性理论 起重机主梁有限元模型简化后的有限元模型如图 的。在实际的应力分析中，只要知道了应力状态和屈服1所示，共有单元4555个，节点15465个，截面形式共有6 准则，就可以判断是否有塑性形变发生。Von Mises屈种，单元类型为BEAM189。模型中的全局坐标系定义:X 服准则应用最为广泛，其等效应力表达式为：轴为小车沿主梁运动方向，Y轴铅垂方向，Z轴为大车运动方向。 门型起重机主要受到起吊载荷N、风载荷P、启动或 屈服面在主应力空间中是一个以=的圆柱 1 2 3制动时的惯性力F、主梁自重以及起吊装置自重G等力的 面，如图2所示。如果材料的应力状态在圆柱面内材料处作用。 于弹性状态，在圆柱面外材料处于塑性状态。 图2主应力空间中的Miese屈服面 图1 起重机有限元模型图 建立好有限元模型后，设定每增加一时步，小车在 小车车轮的压力 重力 风载荷 启动、制动 主梁上向前进0.25m，运用ANSYS及其APLD语言编程 N- G- P- F-时惯性力 进行受力分析，得到应力、挠度模拟表，形式如表3。Uy- 表示垂直向下的位移值，Eqv表示此事时步的最大应力 起重机主梁有限元动态分析 值，n=168。22.1ANSYS参数优化设计语言APDL（ANSYS 表3应力、挠度模拟表Parametric Design Language） 时步 U m E y qv 采用ANSYS参数优化设计语言APDL对起重机主 i = 1,2,3n | f| F 1 1 2009.08建设机械技术与管理 91 产品 技术 Product & Technology 对该起重机主梁，时步n=168次，起重机主梁受力 表4设计变量取值范围云图如图3、图4所示。 分类 物理含义 风载荷P 物理含义 范围 0.02x10.2 0.05x60.4 5-a 斜杆1 0.003t10.024 0.037x70.1 5-e上弦杆 0.02x210.2 0.0045t60.0105 5-b斜杆2 0.003t20.024 0.007t70.018 设 0.02x0.2 0.02x0.2 计 5-c竖杆2 3 5-f下弦杆 8 变 0.003t0.024 0.003t0.024 量 3 8 0.05x40.4 0.037x50.1 5-d竖杆1 0.0045t0.0105 4 0.007t50.018 结构最大应力/MPa 176 图3最大应力图 约束 条件 垂向最大挠度 /m 0.0525 目标函数 结构总体积 ？ 很显然，应力和许用挠度有较大的裕量。计算分析 结果表明起重机主梁的强度和挠度满足使用要求，但从 应力的分布情况分析，其应力分布不尽合理，可运用结 构参数优化方法对实际方案作进一步改进设计。 3 起重机主梁结构参数优化 3.1 设计变量 ANSYS程序提供了两种优化的方法，一阶方法基 图4最大受力图 于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精 确的优化分析。本文主要以杆件的截面尺寸作为设计变2.3在通用后处理器进行分析结果 量，以结构的重量作为目标函数对结构进行优化。 结果表明：最大挠度的位置坐标是（23.494， ， ），对应的挠度 ；最大应 起重机的主梁结构为空间桁架结构，本文采用空间0.556137 -2.6657 fi=-0.047202力的位置坐标是（ ， ， ），应力 梁单元进行模拟，通过优化各杆件的截面尺寸而改变各 23.4988 0.856136 -2.66496 杆件的强度、刚度来实现优化目标的收敛。各设计变量值。 的含义见图5。 依照起重机设计规范，起重机的应许力按第二类 约束条件载荷进行强度计算，载荷组合为时，安全系数为 ； 3.2 1.33 应力约束起重机主梁材料均选用型钢，其屈服度为。 3.2.1 235 主梁结构的最大应力必须要小于所用材料的许用 拉、弯许用应力： = = 176MPa 应力。 1.33 （1）拉、弯应力：|=176MPa 许用挠度： L 42 1 f = = = 0.0525m （2）剪应力： |=100MPa 800 800 1 对数据进行比较可知：135MPa=176MPa； 。 3.2.2位移约束0.047202m=f f=0.0525m 主梁结构的最大挠度必须小于规定的值。92 CMTM 2009.08 产品 技术 Product & Technology 表7 设计变量优化取值接近的型钢规格表 杆件名称 斜杆1 斜杆2 竖杆2 竖杆1上弦杆 下弦杆 优化前 12010 908 10010 16a 30a 12512 优化后 10010 7510 708 36a 36a 12514 表8 起重机主梁结构设计优化前后参数对比表 对比值 最大应力MPa 挠度 m 重量t 优化前 135 0.047 27.477 优化后 172 0.0507 23.155 5 结论 图5实际变量说明图 经过结构参数优化，起重机主梁应力从原来的 L 42 f | f | = = = 0.0525m 135 上升到172 ，而垂直方向的挠度由0.0472m增加到 挠度： 800 800 0.0507m，均满足约束条件。从型钢对比表中可知，上弦3.2.3边界约束 杆和下弦杆界面均增大，而其他的杆件界面多有减少， 又称为区间约束，它规定了设计变量的取值范围对 这是因为主梁上弦杆和下弦杆为主要受力部件。主梁原于起重机主梁的截面参数，根据型钢的尺寸标准来确 有重量为27.477t，优化后主梁最终重量为23.155t。同时定。表设计变量取值范围。 优化后主梁应力分布更加合理，最大应力上升27.4%， 4 最大挠度上升6.4%，整体重量下降16%。实现了以结构 起重机主梁结构优化设计结果分析 轻量化为主要目标的优化计算。4 采用有限元分析软件ANSYS以及APDL，选择一阶优化方法，选择在应力值最大距梁根部 处的位置 参考文献 23.5m 1 须雷. 现代起重机的特征和发展趋向J. 起重运输机械，加载，进行主梁结构优化设计，通过四十六次迭代，在三十三步时为满足条件的最优值。优化结果见表。 1997（10） 5 2 陈精一，蔡国忠. 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南M.表5主梁结构优化设计优化结果表 北京：中国铁道出版社，2001 设计变量 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 3 钟万勰. 计算杆系结构力学M. 北京：水利电力出版社，原有值 mm 120 90 100 160 63 300 85 125 1982优化值 mm 102 79 67 50 37 330 87 115 4 周廷藩，扬国贤. 杆系结构程序设计M. 北京：人民交通出变化量 15% 12% 33% 67% 43% -10% -2.4% 8%设计变量 版社，1990 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8原有值 5 陈晓霞. ANSYS7.0高级分析M. 北京：机械工业出版社， mm 10 8 10 6.5 10 7.5 13.5 12优化值mm 10.7 9.7 3.99 4.5 7 8.8 15.4 15 2004变化量 -7% 21.2% 60% 33% 30% -16.8%-14.1% -25% 6 王金诺. 起重运输机金属结构M. 北京：中国铁道出版社，表6优化参数圆正前后对照表 1984 设计变量 7 起重机设计规范GB/T3811-2008 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7