ANSYS在桁架结构门机主梁优化设计中的应用

1、桁架起重机主梁横截面杆为工字形型钢，腹分析并计算Q235 ,ANSY爭桁架结构门机主梁优化设计中的应用.txt有谁会对着自己的裤裆傻笑。不敢跟他说话 却一遍一遍打开他的资料又关上。用了心旳感情，真旳能让人懂得很多事。、如果有一 天，我的签名不再频繁更新，那便证明我过的很好。ANSYS在桁架结构门机主梁优化设计中的应用.txt性格本身没有好坏，乐观和悲观对这个世界都有贡献，前者发明了飞机，后者发明 了降落伞。施工技术 Co nstruction Techn ologyANSYS在桁架结构门机主梁优化设计中的应用The Applicatio n of ANSYS into Optimizi ngD

2、esig n 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 杆为角钢，材料均为普通碳素钢车沿起重机主梁方向

3、运动时的移动载荷, 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吉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。

4、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。表1起重机主梁建模参数表表2有限元模型载荷表（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

5、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n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 & Tech

6、 no logy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（1 ）假定材料均匀分布各向同性; 性力力的性质 集中力 均布力 惯性力 惯（2）主梁在工作状态时，要受到风力等其它力因素0.327， 0， OAcel， 0， 9.8, 0有限元中 FK、F Lsel ，Acel ，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，分另U放置于 ANSYS一个强大二次小车四个轮子作用点的位置； 规分析操作或通过梁进行有限元动态分析，APDL是 开发软件，是用来自动完成有限元常（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

7、，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起吊载荷N风载荷P 自重G中级 42m30t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化和如下的假设：,对其有限兀模型作了相应的间38.5 tf 150 n/m ma mg方向垂直向下水平水平垂直向下（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

8、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CT =6 =6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表示垂直向下的位移值,Eqv表示此事时步的最

9、大应力表3应力、挠度模拟表时步 U m E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-起重机主梁有限元动态分析值，n=168。2.1ANSYS参数优化设计语言 APDL( ANSYSParametric Desig n Lan guage)y qv采用ANSYS参数优化设计语言 APDL对起重机主i = 1,2,3 n | f| F1 12009.08建设机

10、械技术与管理91 产品技术Product & Tech no logy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0.02 x1W 0.20.05 x6W 0.45-a 斜杆10.003 W t1 W 0.024 0.037 x7 0.15-e 上弦杆0.02 W x2W 10.2 0.0045 W t6 W 0.01055-b 斜杆20.003 W t2 W 0.024 0.007 W t7 W 0.018设0.02 W xW 0.2 0.02 W xW 0.2计5-c 竖杆23 5-f 下弦杆 8变 0.003

11、W t W 0.0240.003 W t W 0.024量380.05 W x4W 0.40.037 W x5W 0.15-d 竖杆 1 0.0045 W t W 0.010540.007 W t5 W 0.018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=0.0525m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

12、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 -2.6657fi=-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23.49880.856136 -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

13、荷进行强度计算，载荷组合为时，安全系数为；3.21.33应力约束起重机主梁材料均选用型钢，其屈服度为。3.2.1235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：d = 176MPa 应力。1.33（1 ）拉、弯应力：| d | d =176MPa许用挠度： L 421(2)剪应力：| T | T =100MPa主梁结构的最大挠度必须小于规定的值。92 CMTM 2009.08,而垂直方向的挠度由V 。3.2.2位移约束0.047202m=f f=0.0525m产品技术Product & Tech no logy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

14、杆1上弦杆 下弦杆优化前 / 120X 10 / 90X 8 / 100X 10 16a 30a/ 125X 12优化后 / 100X 10 / 75X 10/ 70X 8 36a 36a/ 125X 14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 23.1555 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 42f | f | = 0.0525m135上升到 172800 800 1对数据进行比较可知:135MPa=(rV d =176MPa；0.0472m增加到挠度: 80

15、0 800设计变量 7起重机设计规范GB/T3811-20080.0507m ，均满足约束条件。从型钢对比表中可知，上弦323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 AN

16、SYS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）52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 1251982优化值mm 102 79 67 50 37

17、 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，1990T1 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

18、表1984设计变量 7起重机设计规范GB/T3811-2008X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8原有值 8杨征等.大型门式起重机结构设计计算J.机械设计与制120 90 100160 63 300 85 125优化取值造，2006（ 12）100 75 7063 43 360 95 125设计变量T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8原有值10 8 10 6.5 10 7.5 13.5 12收稿日期：2009-06-16优化取值10 10 4 4.8 7.5 9 16 14通讯地址：甘肃省武威市北关西路 199 号(733040)2009.08建设机械技术与管理93是风的细语、是雨的柔顺、斑驳了一道道古老的忧伤，刻在了灯火阑珊处 ？是桥的沧桑、是石的痕迹、流年了一首首陈旧的诗韵，铭在了秋月三 更天？海棠红袖添香，墨迹染血苍凉。安静中，晨曦