基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙俊佳 朱洪前

摘要：本文以16t雙梁橋式起重機(jī)為例，通過有限元軟件ANSYS對(duì)其主梁進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化（Goal Driven Optimization），結(jié)果相較于優(yōu)化前質(zhì)量減輕了24.9%，效果非常顯著，并且針對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行了靜力分析，優(yōu)化結(jié)果可靠可行。本文通過主梁的參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量減輕的目的，對(duì)橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)具有重大意義。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī)；ANSYS；主梁；優(yōu)化設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)已經(jīng)成為了現(xiàn)代化生產(chǎn)中必不可少的一種機(jī)械設(shè)備，除了運(yùn)用方便、效果顯著等原因外，橋式起重機(jī)在安全方面相較于其他設(shè)備同樣有著明顯的優(yōu)勢(shì)，例如，在實(shí)際生產(chǎn)中，橋式起重機(jī)能顯著提高生產(chǎn)安全，減小事故發(fā)生率[ ]。長(zhǎng)久以來，我國(guó)對(duì)于重型機(jī)械的要求是夠大夠結(jié)實(shí)，因此，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和加工工藝的限制下，我們?cè)O(shè)計(jì)出來的橋式起重機(jī)往往都具有過高的安全系數(shù)，這樣設(shè)計(jì)雖然安全，但是，正因?yàn)檫^于安全了，我們的設(shè)計(jì)造成許多材料的浪費(fèi)和廢棄。通過大量設(shè)計(jì)和實(shí)例表明，橋式起重機(jī)60%以上的重量是和主梁結(jié)構(gòu)相關(guān)的，因此，主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到鋼材耗費(fèi)量的多少。采用ANSYS對(duì)起重機(jī)主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能實(shí)現(xiàn)主梁的形狀優(yōu)化，從而改進(jìn)產(chǎn)品外形，同時(shí)能提高整機(jī)性能，減少制造成本和材料消耗[ ]。

1.主梁結(jié)構(gòu)分析

本文在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前，先對(duì)橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行靜力分析，分析的目的是求出主梁的最大應(yīng)力和最大位移，方便后續(xù)的優(yōu)化以及對(duì)比。

本文的研究對(duì)象是16t雙梁橋式起重機(jī)，主梁由上、下蓋板、兩塊腹板以及隔板組成，同時(shí)，為了分析更為準(zhǔn)確，本文對(duì)端梁也進(jìn)行了建模。

1.1 參數(shù)化建模

優(yōu)化設(shè)計(jì)就是講設(shè)定的參數(shù)不斷優(yōu)化，最終在眾多方案中尋找最佳方案的過程，因此，在建模時(shí)，需要實(shí)施參數(shù)化建模。本文采取PROE建模，并且設(shè)定了8個(gè)優(yōu)化參數(shù)。

1.2 有限元的前處理

本文選取solid45單元，材料全部采用Q235，材料密度，彈性模量，泊松比。

網(wǎng)格劃分以四邊形單元為主，同時(shí)在個(gè)別部位采用三角形單元，如圖1.1所示：

圖1.1橋架的網(wǎng)格模型

Fig1.1 Bridge grid model

在有限元中，為了確保結(jié)果的正確性，需要依據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型施加約束。對(duì)于本文來說，分析的是橋式起重機(jī)主梁，約束的對(duì)象就在端梁的支撐面，即端梁大車輪處。需要約束的四個(gè)支撐面，均擁有6個(gè)自由度，即X、Y、Z方向的平移自由度和X、Y、Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度，依據(jù)實(shí)際情況，采取全約束。

當(dāng)起重機(jī)小車滿載處于主梁跨中位置時(shí)，主梁的應(yīng)力和變形是最大的，因此，本文的研究工況為小車滿載處于主梁跨中處。

1.3 求解

當(dāng)完成主梁的建模以及選取單元、定義材料屬性、網(wǎng)格劃分、施加約束和施加載荷以后，即可對(duì)主梁進(jìn)行求解，得出主梁的應(yīng)力云圖和位移云圖，如下圖所示：

圖1.2 應(yīng)力云圖圖1.3 位移云圖

Fig1.2 Equivalent stress chart Fig1.3 Total deformation chart

Q235的屈服極限為，安全系數(shù)，因此主梁的許用應(yīng)力：

主梁的靜撓度為：