基于APDL的橋式起重機主梁快速優(yōu)化設計

趙小偉，衛(wèi)良保

(太原科技大學機械電子工程學院，太原030024)

橋式起重機是室內(nèi)外很多部門和場所廣泛應用的一種重要工具和起重設備，主要由橋架、大車行走機構(gòu)及起重小車等組成。箱形主梁作為橋式起重機最重要的組成部分，它的設計參數(shù)和性能對起重機的性能和成本有較大的影響[1]。對于橋式起重機主梁，必須保證有足夠的強度和剛度。在傳統(tǒng)的箱形梁結(jié)構(gòu)設計中，主梁設計主要依靠設計經(jīng)驗和經(jīng)驗公式來進行，安全系數(shù)的選擇往往偏大，造成制造材料的浪費。因此，很有必要對橋式起重機的主梁進行優(yōu)化設計，為生產(chǎn)廠家降低制造成本、提高經(jīng)濟效益。依據(jù)ANSYS的功能特點，運用APDL開發(fā)出專用的模塊中的優(yōu)化設計部分，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)可視鍵控，即“所見即所得”[2]，還能快速實現(xiàn)對橋式起重機主梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 基于APDL專用分析模塊的開發(fā)

在生產(chǎn)實際中，經(jīng)常會開發(fā)一些專用分析程序?qū)崿F(xiàn)特殊目的，把這些專用的分析程序編寫成一個個的宏文件，然后由一個主分析程序控制整個流程，在需要的時候調(diào)用所需要的宏文件。宏文件中經(jīng)常需要給某些參數(shù)進行賦值，這時可以利用APDL的界面語句定制簡單的參數(shù)賦值界面并建立適當?shù)南C制。當所有分析程序和宏文件都編好后形成一個專用分析程序時，可以利用縮寫功能在Toolbar上建立按鈕進行程序的驅(qū)動和調(diào)用，實現(xiàn)專用分析模塊的過程控制[3]。本文所開發(fā)出的專用分析模塊工具條如圖1所示。模塊中有優(yōu)化控制部分，通過單擊此部分按鈕來完成主梁的快速優(yōu)化設計。

圖1 新定義ANSYS工具條Fig.1 New defined ANSYS toolbar

2 基于ANSYS的優(yōu)化設計步驟

在ANSYS優(yōu)化設計中，常見的目標變量如重量、費用、應力等，對于主梁，以其重量最輕為目標進行優(yōu)化。在ANSYS中實現(xiàn)的優(yōu)化功能的步驟為:首先，選定合適的單元建立分析模型進行結(jié)構(gòu)有限元分析;其次提取所需要的分析信息并將其傳遞給ANSYS優(yōu)化器;最后，進入優(yōu)化器，進行優(yōu)化運算，得到結(jié)果[4]。ANSYS優(yōu)化設計流程圖如圖2所示。

圖2 ANSYS優(yōu)化設計流程圖Fig.2 The flow chart of ANSYS optimization design

3 橋式起重機主梁參數(shù)化建模

3.1 橋式起重機主梁的技術(shù)參數(shù)

所研究起重機主梁的主要參數(shù)為:起重量Q=32 t，跨度L=22.5 m，起升高度Hq=16 m，起升速度Vq=13 m/min，小車運行速度Vx=45 m/min，大車運行速度Vd=90 m/min，小車軌距K=2 500 mm，大車軸距B=5 800 mm，工作級別為A6.主要幾何尺寸:上翼緣板寬度b0=930 mm，下翼緣板寬度b1=800 mm，主梁高度h1=1 620 mm，上翼緣板外伸w1=150 mm，下翼緣板外伸w2=20 mm，主梁翼緣板厚度t1=10 mm，主梁主腹板厚度t2=8 mm，主梁副腹板厚度t3=6 mm.

3.2 有限元模型的簡化和假設

為方便參數(shù)化建模，需要對結(jié)構(gòu)進行規(guī)范化處理，即簡化若干對結(jié)構(gòu)整體強度、剛度影響微小的特征。簡化的原則應在保證模型符合實際結(jié)構(gòu)和分析精度的情況下，使結(jié)果稍偏于安全，比如忽略一些工藝筋和局部加強板等。

3.3 單元選取和網(wǎng)格劃分

橋機主梁是由薄板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，通常選用板殼單元來模擬。起重機設計規(guī)范GB/T3811-2008規(guī)定不考慮鋼材的塑性利用[5]，故常采用線彈性板殼單元 shell63和 shell93.本文采用殼單元shell63對主梁各板進行離散。對主梁結(jié)構(gòu)幾何模型的規(guī)則面采用映射網(wǎng)格劃分，不規(guī)則面則采用自由網(wǎng)格劃分，同時對過渡區(qū)作相關(guān)的處理，網(wǎng)格劃分的精度能確保求解結(jié)果盡量精確[6]。

4 起重機主梁有限元分析

4.1 主梁的約束

橋式起重機的主梁可以簡化為一個簡支梁來處理，主梁一端對邊線上的節(jié)點僅釋放在垂直平面(繞Z軸)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度，另一端對邊線上的節(jié)點釋放垂直平面(繞Z軸)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和沿主梁軸向(X方向)的移動兩個自由度。

4.2 載荷的施加

圖3 參數(shù)化有限元模型Fig.3 The parametric finite element model

考慮最惡劣工況，起重機的工況為小車跨中滿載下降制動，同時大車運行啟動或制動。施加載荷時，主梁均布載荷、大車均布慣性載荷以加速度的形式作用在橋架上;軌道、電氣設備、走臺和欄桿以表面力的形式作用在主梁上表面;司機室、大車運行機構(gòu)、小車輪壓、小車集中慣性載荷以集中力的形式作用到相應的節(jié)點上，為了避免施加單個節(jié)點造成局部擠壓應力和變形，把集中力均勻施加到附近的幾個節(jié)點上。

4.3 運算求解

程序計算出上述的載荷，將其等效后加到相應位置的節(jié)點或線、面上，進入求解器進行求解。

4.4 通用后處理結(jié)果分析

由以上云圖分析可知:主梁的垂直方向最大位移為18.314 mm，最大位移發(fā)生在跨中。主梁最大等效應力為164.372 MPa，位于下蓋板與副腹板的連接處。Q345鋼的許用應力[σs]345/1.33=259.4 MPa，工作級別為A6的橋式起重機垂直繞度許用值[f]=L/800=28.125 mm.可以看出，主梁的強度、剛度不僅均滿足要求，還有很大的余量，應當進行優(yōu)化設計以減輕自重，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。

5 起重機主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

5.1 設計變量

在設計過程中需要不斷的調(diào)整設計變量的值，常見設計變量如結(jié)構(gòu)某部分的寬度、高度等幾何尺寸。主梁的跨中截面結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖4 工況1主梁Y方向(下?lián)?位移云圖Fig.4 Girder displacement map in Y direction(deflection)in condition 1

圖5 工況1主梁等效應力云圖Fig.5 Girder equivalent stress map in condition 1

圖6 橋機主梁跨中截面結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 The structural map of bridge girder section of midspan

主梁的設計變量和取值范圍如表1所示。

5.2 狀態(tài)變量

狀態(tài)變量是設計要求滿足的約束條件變量參數(shù)，是設計變量的函數(shù)。主梁的狀態(tài)變量如表2所示。

表1 設計變量Tab.1 Design variables

表2 狀態(tài)變量Tab.2 State variables

5.3 目標函數(shù)

橋式起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標是使主梁在滿足各項條件的情況下制造成本最低，而與制造成本相關(guān)的主要因素是設計水平、材料消耗、加工工藝等，若全部考慮，則難以量化，使模型復雜化而失去實用性。因此模型以橋式起重機整機質(zhì)量最輕為目標，可以等價于體積最小[7]。

6 起重機主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

橋式起重機主梁優(yōu)化設計命令流包括兩部分，一個是優(yōu)化分析文件，另一個就是優(yōu)化過程控制文件，通過專用分析模塊上的按鈕調(diào)用此文件。選擇一階方法(First Method)優(yōu)化，指定優(yōu)化步數(shù)為30步。對所有變量進行優(yōu)化，執(zhí)行優(yōu)化程序所得到得優(yōu)化序列如圖7-圖10分別顯示了體積、最大應力、最大變形的迭代曲線。

圖7 迭代最優(yōu)解Fig.7 The iterated optional solution

圖8 體積的迭代曲線Fig.8 The iteration curve of volume

圖9 最大應力的迭代曲線Fig.9 The iteration curve of maximum stress

圖10 最大變形迭代曲線Fig.10 The iteration curve of maximum deformation

由優(yōu)化結(jié)果可知最優(yōu)解為第13步。優(yōu)化前后各參數(shù)項目的對比結(jié)果如表3所示:

表3 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比Tab.3 Data contrast before and after optimization

結(jié)合生產(chǎn)實際，對以上優(yōu)化結(jié)果圓整后得如下最終優(yōu)化結(jié)果:b0=904 mm;b1=750 mm;t1=8 mm;t2=6 mm;t3=4 mm;w1=131 mm;w2=19 mm;h1=1 584 mm.經(jīng)過優(yōu)化處理后，主梁的重量減輕了25.98%，取得很好的經(jīng)濟效益。

7 結(jié)束語

本文研究對象為32t偏軌箱型梁橋式起重機，通過ANSYS中APDL語言開發(fā)出專用的用戶分析模塊，每一模塊通過單擊相應的按鈕調(diào)用對應的宏文件就可完成對橋機主梁快速的有限元分析和優(yōu)化設計。二次開發(fā)工作為快速的對橋式起重機進行優(yōu)化設計提供了一個有效的途徑和方法。

[1]徐格寧.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

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[4]趙九峰.基于APDL的船用起重機吊臂參數(shù)化設計及優(yōu)化[D].大連:大連理工大學，2008.

[5]全國起重機械標準化技術(shù)委員會.GB/T3811-2008起重機設計規(guī)范[S].北京:中國標準出版社，2008.

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