集装箱起重机模型的主梁优化设计

集装箱起重机模型的主梁优化设计集装箱起重机模型的主梁优化设计 摘要 摘要 在现有的岸边集装箱起重机主梁设计中 刚度和强度大 材料浪费严重的问题普遍 存在 本文以实验室岸边集装箱起重机的简易模型主梁为对象 依托 ANSYS 平台 建立其 主梁模型 并对其进行结构和受力分析 以主梁截面参数为优化变量 强度和刚度指标为 约束 利用 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 在不改变 额定载荷的情况下 降低材料的用量 关键词关键词 集装箱起重机模型 ANSYS 主梁优化 引言引言 以实验室集装箱起重机模型为研究对象 利用 ANSYS 平台分析其主梁的强度和刚度 确定最大应力和最大变形处 并在此基础上 完成以结构轻量化为目标的优化计算 1 ANSYS 对主梁结构的静力分析 对主梁进行结构的静力分析目的是找出最大应力和最大变形 为优化设计做准备 1 1 建立有限元模型 本文研究的实验室集装箱起重机简易模型结构简单 如下图图 1 所示 其主梁截面为 工工字型 其截面图如图 2 所示 为标准工字梁 高度 D Dd D Dd 图 1 集装箱起重机简易模型 图 2 主梁截面 图 3 主梁结构模型图 1 2 梁的网格划分 网格划分的目的是把复杂的实体模型分成若干简单地模型 而这些简单的个体之间相 互联系 相互约束 构成整个结构 求解这些简单的结构就能得到整体的变化趋势 对于 梁单元做网格划分主要包括三个步骤 指定线的属性 指定线分割 划分网格 利用 MeshTool 工具可以进行方便的对上述三个步骤进行操作 在划分过程中 网格越细致 整齐 结果越精确 但可能计算用时 花费和内存使用量增加 网格粗糙 结果就会出现 误差 甚至出现无解的情况 所以 在划分过程中要考虑精确性 经济性和计算的容量等 情况 1 3 梁受到的载荷 对于本文研究的简易模型 可以看出其主梁结构为两端为悬臂梁 中间简支梁 由于 主梁结构是对称的 同时考虑到电脑内存的容量 只取一半进行有限元分析 其结果是相 同的 其模型的作用尺寸如下图 0 5m2 5m 6m 中间 左端右端 支腿 支腿 图 4 岸边集装箱起重机实验室模型尺寸 本文的岸边集装箱起重机实验室模型并没有拉杆系统 所以额定的变形量比较大 其 优化的目标主要是在它的刚度的充分利用基础上降低主梁结构的重量 加载时要考虑主梁 的自重 在建模过程中把模型总的重量以密度的方法把平均施加到主梁上 暂不考虑小车 制动产生的惯性力 风载 作业系数 动载系数 由于受变形量的主要影响 最危险工况 在小车满载位于主梁的右端 1 4 计算求解 针对本文研究的岸边集装箱实验室模型的主梁结构的静力分析 目的是找出危险工况 下的最大变形和最大应力 便于进行刚度和强度检验 以提出优化方案 在危险工况下 主梁变形图如下图所示 图 5 主梁变形云图 由图可知 在危险截面 梁的最大变形为 7 167mm 根据集装箱起重机设计标准 悬 臂部分的变形是其有效长度的 1 350 即 7 14mm 但此简易模型并没有拉杆系统 此处变 形标准是 10mm 主梁的最大应力为 20 3MPa 小于 Q235 的许用弯曲应力 150MPa 所以刚 度和强度都有余量 材料并没有得到充分的利用 其中 刚度得到充分利用是此优化过程 的主要目标 2 优化设计 结构最优化设计的目的在于降低制造成本 改善产品外形 提高产品品质 其实质为 一个数学优化问题 即确定一个或多个设计变量的数值 使得目标函数达到最大值或最小 值 如本文的总的体积最小 这些解需要满足一定的约束条件 如应力小于许用应力 2 1 优化设计的数学表述 结构最优化设计问题的基本数学表述如下 对于一组选定的设计变量 试确定其具体的取值 使以这些设计 变量为自变量的多元目标函数 D Dd 约束条件包括两个方面 设计变量取值范围的限制条件 可表示为如下不等式组 其中 N 为设计变量的总数 和分别为第i个设计变量合理取值范围的下限 以及上限 其它约束条件 如梁的材料的许用应力和变形条件 可表示为以下不等式组 其中 称为状态变量 是以设计变量为自变量的函数 和 伪1 伪 分别为第j个状态变量取值范围的下限以及上限 M 为约束状态变量的总数 由以上数学的表述可知 优化问题中涉及到三种变量 即优化目标变量 设计变量和 状态变量 优化目标函数是一个以设计变量为自变量的标量函数 在 ANSYS 优化分析中 只能定 义一个目标函数 设计变量是优化目标函数和状态函数的自变量 优化的过程就是通过不断改变设计变 量的数值来实现的 状态变量是设计变量的函数 状态变量的值必须满足一定的约束条件 因此又被称作 约束变量 对于本文研究的模型主梁结构的优化过程中 重量最轻是目标函数 约束条件是应力 和产生的变形 挠度 本文中取工字梁截面的基本参数为设计变量 优化目标是主梁的重量最小 即梁的体积最小 在梁长度不变的情况下也即梁的横截 面的面积最小 所以针对本主梁结构优化设计的数学模型为 求 其中满足以下不等式 约束变量 为梁的体积函数 是主梁产生的最大应力 是许用应力 是主梁 蟽 产生的最大变形 是允许的最大变形 2 2 优化设计基本参数的确定 针对本文的优化模型 我们定义四个优化设计变量 即分别为各个截面的厚度 两个状态约束变量 即强度和变形 模型主梁结构的体积为优化目标函 数 具体的参数见下表 表 1 优化设计变量 变量设计变量状态约束变量目标函数 参数 mm mm mm mm 最大 应力 MP 最大变形主梁结构 体积 范围 40 8080 1005 82 5 5 5 150 10 2 3 确定优化的一般步骤 典型的 ANSYS 优化设计过程包括以下的一些环节 分析参数初始化 为分析模型中的相关参数指定初始值 参数化建立模型 在前处理器中建立参数化的分析模型 模型中的参数暂时取上面 定义的初始值 建模的过程与一般的结构分析建模没有什么差别 执行一次结构分析的求解 参数化提取结果 指定状态变量和目标函数 进入优化处理器 OPT 设置优化分析参数 并进行优化分析 查看优化设计的结果 针对以上数学模型和参数的确定 执行基本优化步骤 进行优化 3 优化结果分析 在优化程序执行过程中 经过 4 次迭代运算 得到较理想的优化结果 经过休整后 参数变化见下表 表 2 主梁优化设计变量变化 变量优化之前优化之后 6854 10098 7 67 4 54 2 最大应力 MP 20 324 7 最大变形 mm 7 29 9 主梁结构体积 mm 3 12736 89979 2 通过此表可以计算出 在优化前后主梁结构体积的变化 9979 2 12736 8 78 3 即优 化后的体积比优化前降低了 21 7 因为主梁的长度不发生变化 所以主梁的重量优化后 比优化前减轻了 21 7 并且强度和刚度仍然满足要求 4 结论 通过 ANSYS 平台 对岸边集装箱起重机实验室简易模型的主梁进行优化设计 其结果表 明 主梁的重量减轻 21 7 优化效果比较明显 减少了材料的用量 并且优化后强度 和刚度性能仍能满足要求 主梁的刚度条件得到了充分利用 但由结果可以看出材料的强度条件利用程度还很 低 若进一步调整支座的位置以及协调好变形之间的关系 材料的重量还可以进一步减轻 这样材料的应力分布更均匀 材料利用更充分 本文研究对象是针对特定的实验室简易的港机模型 但是此方法适用于一般的机械 设计过程 利用 ANSYS 进行辅助设计 能够降低设计成本 缩短设计周期 有较好的现实 经济意义 参考文献 1 龚曙光 ANSYS 基础应用及范例解析 M