基于ANSYS的橋式起重機主梁優化設計

趙俊佳 朱洪前

摘要：本文以16t雙梁橋式起重機為例，通過有限元軟件ANSYS對其主梁進行目標驅動優化（Goal Driven Optimization），結果相較于優化前質量減輕了24.9%，效果非常顯著，并且針對優化前后進行了靜力分析，優化結果可靠可行。本文通過主梁的參數化設計和優化設計，實現了質量減輕的目的，對橋式起重機的設計具有重大意義。

關鍵詞：橋式起重機；ANSYS；主梁；優化設計

橋式起重機已經成為了現代化生產中必不可少的一種機械設備，除了運用方便、效果顯著等原因外，橋式起重機在安全方面相較于其他設備同樣有著明顯的優勢，例如，在實際生產中，橋式起重機能顯著提高生產安全，減小事故發生率[ ]。長久以來，我國對于重型機械的要求是夠大夠結實，因此，在傳統的設計方法和加工工藝的限制下，我們設計出來的橋式起重機往往都具有過高的安全系數，這樣設計雖然安全，但是，正因為過于安全了，我們的設計造成許多材料的浪費和廢棄。通過大量設計和實例表明，橋式起重機60%以上的重量是和主梁結構相關的，因此，主梁的結構設計是否合理，直接關系到鋼材耗費量的多少。采用ANSYS對起重機主梁進行結構的優化設計，不僅能實現主梁的形狀優化，從而改進產品外形，同時能提高整機性能，減少制造成本和材料消耗[ ]。

1.主梁結構分析

本文在進行優化設計前，先對橋式起重機主梁進行靜力分析，分析的目的是求出主梁的最大應力和最大位移，方便后續的優化以及對比。

本文的研究對象是16t雙梁橋式起重機，主梁由上、下蓋板、兩塊腹板以及隔板組成，同時，為了分析更為準確，本文對端梁也進行了建模。

1.1 參數化建模

優化設計就是講設定的參數不斷優化，最終在眾多方案中尋找最佳方案的過程，因此，在建模時，需要實施參數化建模。本文采取PROE建模，并且設定了8個優化參數。

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。

網格劃分以四邊形單元為主，同時在個別部位采用三角形單元，如圖1.1所示：

圖1.1橋架的網格模型

Fig1.1 Bridge grid model

在有限元中，為了確保結果的正確性，需要依據實際情況對模型施加約束。對于本文來說，分析的是橋式起重機主梁，約束的對象就在端梁的支撐面，即端梁大車輪處。需要約束的四個支撐面，均擁有6個自由度，即X、Y、Z方向的平移自由度和X、Y、Z方向的旋轉自由度，依據實際情況，采取全約束。

當起重機小車滿載處于主梁跨中位置時，主梁的應力和變形是最大的，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

當完成主梁的建模以及選取單元、定義材料屬性、網格劃分、施加約束和施加載荷以后，即可對主梁進行求解，得出主梁的應力云圖和位移云圖，如下圖所示：

圖1.2 應力云圖圖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，因此主梁的許用應力：

主梁的靜撓度為：