基于ANSYS的门式起重机有限元分析及结构优化

1、基于Q N;H;的门式起重机有限元分析及结构优化陈世教,夏!铝,杨!旭,薛志武(重庆大学!机械工程学院!重庆!#!摘要"!利用M?:6:有限元软件研究某门式起重机在不同工况下整体结构的变形和应力分布情况!以判断起重机的整体结构是否合理!是否达到刚度及强度要求!并在此基础上进行结构的优化!得到结构整个杆件的合理尺寸!减轻了结构的重量!降低了成本"!关键词"!M?:6:有限元分析#门式起重机#结构优化!中图分类号"&=$".(%!文献标识码"*!文章编号""#"+%!,#$#""$

2、#"+#"#%+#!K,2""/"+"2$/<#,#$-#2%0&20%"(12,+0+(.1(%2$/&%$"F$#"-(Q N;H;<=>?:;0+d097!,5M4T!6M?c,8!,>P;0+Q8门式起重机的金属结构重量通常占到其整机重量的#h以上!其金属机构的设计及力学性能对门式起重机的工作有至关重要的影响"本文以某门式起重机为研究对象进行有限元分析及结构优化 "图4!门式起重机示意图4!门式起重机有限元模型的建立464!主要性能参数该

3、机的主要结构参数如下$跨度"(%D!起升高度-%D!主起升机构额定起重量"$#V!副起升机构额定起重量.#V!工作风压"%#C9!主起升速度#(.!(%D%D01!小车运行速度#(!"#D% D01!大车运行速度#(!"%D%D01"门式起重机整体结构示意图如图"所示"465!有限元模型单元的选择该门式起重机的金属结构属于对称结构!根据其结构型式及载荷特点!进行整体空间立体分析"针对该桁架结构中有主梁上&下弦杆及支腿上&下横梁等多种非标准型材截面!需要自定义截面形式!因此选用b H9D&q

4、uot;N N单元"*H9D"N N单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构!该单元基于铁木辛哥梁结构理论!并考虑了剪切变形的影响" *H9D"N N是三维线性$节点(或者二次梁单元!每个节点有个或者-个自由度!自由度的个数取决于_>6O C&"(的值"当_>6O C&"(F#缺省(时!每个节点有个自由度$节点坐标系2&L&a 方向的平动和绕2&L&a轴的转动#当_>6O C&"(F"时!每个节点有-个自由度!引入了第-个自由度即横截

5、面的翘曲"这个单元非常适合线性&大角度转动和非线性大应变问题"对门式起重机结构模型进行单元划分后共得到$%"个b H9D"N N单元"5!结构静强度分析564!载荷处理和工况选择作用在该门式起重机上的载荷主要有$起重机金属结构的自重!大&小车运行制动产生的惯性载!收稿日期"$#"#E#N E.#!通讯地址"夏铝,重庆市重庆大学机械工程学院七教%#"室 荷!起升"下降制动的惯性载荷!风载!小车自重及额定起重量!其它设备如电梯"操作室的自重等#对加强筋等的重量则通过调整材料

6、的密度因子使之符合设计图纸中的结构重量#约束处理为$支腿一侧作为刚性固定处理!另一侧约束%个自由度!车轮沿轨道方向移动自由度不约束#对该起重机按照第二类载荷组合!即起重机正常工作条件下的最大载荷进行强度计算#结构主要部件均采用j .!%<钢!按第二类载荷组合计算时!安全系数取"(.!则j .!%<钢的许用应力为$%-B C 9#该起重机有关计算参数如下$小车自重"%"#3%结构总重%#%N #3%起升冲击系数,"F "("$%起升动载系数,$F"("%小车运行加速度92I F #(#$D &S

7、$%大车运行加速度9Z I F#(#$.D &S $#该起重机计算载荷按照载荷组合分为以下%种工况$计算工况"$小车位于跨中点!起升满载下降启动(制动!大车制动!风载方向与大车制动惯性力方向相同且垂直于主梁#计算工况$小车位于安装有载人升降机一侧距支腿最小安全距离左侧点!小车满载制动!大车制动!风载方向与小车制动惯性力方向相同且平行于主梁#计算工况.$小车位于右极限位置没有安装有载人升降机一侧(!小车满载制动!大车制动!风载方向与小车制动惯性力方向相同且平行于主梁#计算工况!$起重机为非工作状态!小车空载位于跨中!大车固定于轨道上!""级风!风载方向垂直于

8、主梁#计算工况%$起重机为非工作状态!小车空载位于跨中!大车固定于轨道上!""级风!风载方向平行于主梁#整机的结构自重由M ?:6:系统计算后自动给出#565!有限元计算结果分析有限元分析结果如表"所示!限于篇幅!本文只列出工况"下的起重机金属结构位移和应力云图!如图$".所示 #图5!工况4 应力分布图图7!工况4位移分布图表4!9种工况下的位移和应力结果工况工况"工况$工况.工况!工况%位移&D D "N $(!".("".N (%".(!"%(%应力&B

9、 C 9"!(-"-!(".($".($"(N由表"可看出!前!个工况整个结构的最大应力值为"-!(B C 9!小于材料的许用应力%工况%结构产生最大应力为$"(N B C 9!大于材料的许用应力!位置为主梁斜腹杆!结构静强度不能满足要求#主梁最大计算静挠度?F"N $(!E ?3E ?P F"N $(!E!(N %E%$F %(%D D式中!?3主梁自重作用下产生的静挠度!D D %?a 主梁初始上拱度!D D #考虑该起重机起升最大额定起重量"$#V(的工作次数很少!在计算起重机由

10、额定起重量和小车自重在主梁跨中引起的垂直静挠度时按工作级别M$!M.考虑!故垂直静挠度应不大于:"-#该起重机跨度:F"%#D D!S"-#F N-(D D!所以结构静刚度满足要求#7!结构优化764!优化方法选择通过M?:6:对门式起重机金属结构的分析!发现起重机金属结构的静强度和静刚度都满足设计要求!局部静强度还有较大裕量!因此利用遗传算法对起重机的主梁进行优化!以达到节约成本目的#遗传算法是一种基于群体优化的算法!它在搜索过程中能自适应地控制搜索空间来求得最优解#在D9V9b环境下!利用D9V9b-("自带的遗传算法工具箱$c H1H V0IM37

11、J0V;D&77b72%进行优化计算#765!目标函数影响门式起重机结构重量的因素很多!为避免设计变量过多!本文以起重机的单根主梁重量为优化设计的目标函数!主要包括上弦杆&下弦杆&底部水平腹杆和斜腹杆的重量#附加构件如小车轨道&栏杆等的重量只与跨度有关!与截面尺寸无关!在构造目标函数时忽略不计#按照单根主梁的结构尺寸得出目标函数!即B01U$2%F/$"%式中!/单根主梁的重量!3#767!设计变量根据型钢规格&及静态分析结果选取以下个参数作为设计变量!即,F(2"!2$!2.!2!2%!2&$%式中!,"主梁高度!

12、D*,$主梁底部两下弦杆之间的距离D*,.主梁上弦杆截面面积!D D$*,!主梁下弦杆截面面积!D D$*,%主梁斜腹杆截面面积!D D$*,主梁底部水平腹杆截面面积!D D$# 768!约束条件.(!("!静强度约束条件3"$2%F-$D92+(-$.%3$2%F-6D92+(-$!%式中!-$D92小车位于跨中时最大等效应力!B C9*-6D92小车位于左极限位置时最大应力!B C9*(-材料的许用应力!B C9#.(!($!静刚度约束条件?+:"-#$%式中!?跨中垂直静挠度!D D*M门式起重机跨度!D D#.(!(.!上弦受压时的单肢稳定性约束条件7N8

13、1(0X""E7N#(7-./BR(;(X R%;%QX!""E7N#(7B-./,R(,;(,X R%,;%,Q,+(-$%式中!"轴心受压结构件稳定系数*.轴压稳定修正系数*M A结构件的毛截面面积!D D$*R72!R7L端部弯矩不等的折减系数*;72!;7L结构件端部弯矩!?D D*R=2!R=L横向载荷弯矩系数*;=2!;=L由横向载荷在结构件中引起的最大弯矩!?D D*Q2!Q L结构件截面的抗弯模量!D D.*7>,!7>6欧拉临界载荷#.(!(!斜腹杆的单肢稳定性约束条件-F7N(+81+(-$-%式中!7N计算轴向

14、力!?*8A结构的毛截面面积!D D$*(根据结构的最大长细比或最大换算长细长选取的轴心受压构件稳定系数# .(!(%!上弦在起升机构小车车轮的轮压作用下的强度计算约束条件7N81X;Q2+(-$N%式中!7N计算轴向力!?*81结构的毛截面面积!D D$*Q2上弦杆截面的抗弯模量*;上弦轮压局部弯矩#.(!(!设计变量上&下限约束-D01+-+-D92+0F"!$!.,$% 式中!-D 01+!-D 92+ """设计变量的上限与下限#由以上分析知!,%即主梁斜腹杆所产生应力超过许用值!因此把设计变量,%的下限值提高!即增大主梁斜腹杆的截面面积

15、!以降低应力值#在求出最优解后!对设计变量进行圆整处理!其结果见表$#表5!优化前后设计变量及主要参数比较设计变量原设计值优化值圆整值所选钢材,"$D D .!#.$#(.$#,$D D $.%#$"#("$"#,.$D D $%$.#%$#%#钢板焊接,!$D D $.-#$#$".$#钢板焊接,%$D D$.!$"#!$#"#"#-,$D D$-."!.#"!#"#N #!自重$3N $N "-.%-$(%-.-(!由表$知%门式起重机主梁金属结构原质量为N $N &qu

16、ot;3!经过优化质量降后为-.%-$3!圆整后为-.-N 3!比原设计下降""(!h #769!优化后有限元分析对主梁的金属结构重新建模!各参数采用设计变量圆整后的优化值!单元类型&材料模型等与原结构保持一致#利用优化解建模后!按原工况进行加载求解!得到优化后的有限元计算结果如表.和图!&图%所示#表7!优化后8种工况下的位移和应力结果工况工况"工况$工况.工况!工况%位移$D D "N N (!"!$(""!"(%"-(-"N "(.应力$B C 9"-&

17、quot;(%$#(-"-(!"#(-$!#($ 图8!优化后工况4应力分布图图9!优化后工况4位移分布图由表$可知!优化后整个结构的最大应力值为$!#($B C 9!小于材料的许用应力!所以结构静强度满足要求#主梁最大计算静挠度?F"N N (!E ?3E ?P F"N N (!E!(N %E%$F -"(%D D结构静刚度满足要求#8!结论本文利用M ?:6:有限元分析软件对门式起重机不同工况的结构静强度和静刚度进行了分析!并利用D 9V 9b 遗传算法工具箱对一主梁结构进行了优化!优化后的结构重新利用M ?:6:建模并求解!得到优化后的结构静强度和静刚度!通过优化!结