基于AnsysWorkbench歐式起重機端梁結構優化

趙 含

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

基于AnsysWorkbench歐式起重機端梁結構優化

趙 含

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

通過Pro/E軟件對歐式起重機端梁進行三維建模，利用有限元軟件AnsysWorkbench對歐式起重機端梁進行剛強度分析。根據計算結果利用AnsysWorkbench的優化模塊對其進行結構優化，為類似端梁的設計計算提供了參考。

歐式起重機端梁； 有限元； 設計優化； AnsysWorkbench

0 引言

歐式起重機以其設計理念獨特，具有自重輕，能耗低，結構小巧的特點。因此，采用歐式天車的鋁電解廠房在設計上可以大大節約新廠房的空間，在廠房初期建設的時候，投入的初期建設投資可以降低，而且在空調、長期供熱及一些其他維護費用上也可以節省大量的資金，起到為鋁廠節能降耗的目的。

歐式起重機端梁作為歐式起重機主要的承載部件，對其剛強度都有較高要求。本文利用有限元分析軟件AnsysWorkbench對其進行剛強度進行核算與優化，分析了其變形與應力的分布規律，為類似端梁的設計計算以及其它起重機結構改造等提供了參考。

1 有限元分析基礎理論

每一種自然現象都是能夠用相應的物理定律解釋的，這些物理定律的表現形式往往是些方程。這些方程通常稱為控制方程。計算機問世以后有限元方法迅速發展成長起來，它是一種非常強大的分析方法。在工程實際當中，根據相應的運動機理或者連接形式想要推導出方程中并不是一個很困難的工作，但是要獲得問題的解析的數學解卻是一個非常困難和復雜的過程。工程師們的解決方案多采用數值方法給出近似的滿足工程精度要求。有限元分析方法就是一種十分廣泛運用的數值分析方法。

有限元方法是處理連續介質問題的一種普遍方法，其基礎是離散化，即將模型離散成N個小結構。這種思想自古已經存在。齊諾(Zeno公元前5世紀前后古希臘埃利亞學派哲學家)曾說過：空間是有限的和無限可分的。因此可以得知，事物的存在一定有大小之分。計算圓的周長或面積時，古人就采用了這種離散化的逼近的方法。因此，有限元分析法是一種有歷史依據，高效快速，而且越來越受到很大關注度的分析方法。

2 歐式起重機端梁的基本參數

歐式起重機端梁，其主要設計參數為：

蓋板和腹板材料 Q345

彈性模量2.06×1011Pa

密度7850 kg/m3

筋板 材料Q345

彈性模量2.01×1011Pa

密度7800 kg/m3[2]

歐式起重機端梁總長：5.8 m，上下蓋板厚度16 mm，腹板厚度10 mm；出鋁小車輪距為5200 mm，兩個車輪輪壓分別為501.5 kN和415.6 kN。

3 歐式起重機端梁有限元分析

3.1 歐式起重機端梁有限元模型的建立

按照設計圖紙尺寸將用Pro/E軟件建立的歐式起重機端梁的三維實體模型，通過Pro/E與ANSYS Workbench之間的無縫連接導入。采用Solid187單元，Solid187由10個節點定義，每個節點3個自由度：x,y,z三個方向。該單元具有空間的任何方向，有塑性，超彈性，應力強化，蠕變，大變形，大應變能力。所以Solid187單元可以滿足歐式起重機端梁的計算要求。

最終歐式起重機端梁的網格模型節點數為46035，單元數為6408，見圖1。

圖1 歐式起重機端梁有限元模型

3.2 歐式起重機端梁邊界條件

3.2.1 約束施加方式

考慮實際端梁結構形式，對端梁車輪位置施加遠端約束，端梁的一端僅釋放在垂直平面內的旋轉自由度(本模型為RotZ)；另一端釋放垂直平面內的旋轉和沿端梁長度方向移動這2個自由度(本模型為RotZ和UX)。

圖3 端梁的撓度變形云圖與變化曲線

3.2.2 載荷施加方式

歐式起重機端梁承受幾乎整個起重機及其額定吊重重量，由于端梁自重較其承受的載荷相差很大，本例直接取起重機最大輪壓值作為相應端梁的載荷進行計算，載荷分別為F1=501.5 kN和F2=415.6 kN，見圖2。

圖2 歐式起重機端梁的邊界條件加載圖

3.3 結果及分析

3.3.1 歐式起重機端梁的靜剛度校核

根據計算，端梁的受載后的變形情況及長度方向各位置變形位移值見圖3。其中，最大變形為4.79 mm，位于端梁的中部。

3.3.2 歐式起重機端梁的靜強度校核

由圖4可知筒體吊裝工具的應力最大位置為墊板與端梁上蓋板連接處，最大應力為148.26 MPa，由于墊板與端梁上蓋板是螺栓把合的連接，為了方便模擬現將其按綁定處理，所以邊角處的應力值大屬于應力奇異現象，根據圣維南定理可去除應力奇異部位的影響區。提取端梁上蓋板中部的應力分布曲線可知，應力最大值為80.78 MPa。

圖4 端梁的強度云圖與變化曲線

根據上述對端梁的靜力學分析，該端梁在撓度方面有可改善提高之處。下面將通過AnsysWorkbench中Response Surface進行優化。

4 結構優化

4.1 優化設計的介紹

隨著CAE技術的發展，優化設計在產品設計開發中越來越受重視與推崇，并且使用的方法和途徑日趨增多。AnsysWorkbench下集成的DesignXplorer模塊為優化設計提供了一個接近于完美的方案，其易用性也較傳統的Ansys軟件增強了很多。在CAD中建立的模型需改進的設計變量和對其變量進行參數化，傳遞到AnsysWorkbench當中，在DesignXplorer下設定好約束條件及設計目標后，可以對設定的變量進行逐一計算并返回相關圖表。

4.2 歐式起重機端梁優化設計

根據上述計算，若按照GB/T3811—2008《起重機設計規范》剛度的最高要求，高定位精度要求下撓量小于跨度/1000來判定端梁剛度，其完全滿足條件。然而，起重機的使用要求最多只需要中等定位精度。因此，該端梁結構遠遠強于所需。本文采取對端梁的上蓋板優化，對上蓋板數值在Pro/E中進行參數化，導入到AnsysWorkbench中進行Response Surface優化，設置上蓋板厚度變化范圍12～20 mm，并計算其撓度值，見圖5。

圖5 優化設計點和與其對應厚度值

由圖6上蓋板厚度值與撓度值變化曲線可知，上蓋板厚度最小值為為12 mm時，上蓋板撓度值為5.14 mm，滿足相關標準和設計要求。

圖6 上蓋板厚度值與撓度值變化曲線

Design Explorer是ANSYS Workbench集成的一個產品性能快速優化工具。它主要是對產品中相對主要的參數尺寸進行優化，并提供一系列解決方案，從而能夠使設計者了解這些參數的敏感性，在提高產品的可靠性和降低生產成本間為設計者找到個突破口。在Workbench中所有這些任務都是利用Response Surface完成的。因此運用該設計工具對歐式起重機端梁進行優化，對該結構降低成品，提高生產效率有著重要的作用。

5 分析結論

(1)由以上強度變形云圖可知，最大應力為148.26 MPa，位于墊板與端梁邊角接觸的位置，此位置考慮應力奇異現象，根據圣維南定理去除應力奇異部位的影響區，提取端梁上蓋板中部的應力分布曲線可知，應力最大值為80.788 MPa，取安全系數1.5，動載荷系數1.25，345 MPa/1.25/1.5=184 MPa>80.788 MPa，因此該端梁強度滿足要求。

(2)由結構優化結果上蓋板厚度值與撓度值變化曲線可知，當上蓋板厚度為12 mm時，最大的下撓量為5.14 mm，位于端量的中部，參照《鋼結構設計規范》GB50017—2003[3]和《起重機設計規范》GB/T3811—2008[4]歐式起重機端梁的剛度均滿足要求，建議采用厚度為12 mm上蓋板，在能夠保證剛度并滿足一定約束條件的前提下，降低了生產成本。

(3)本文中未考慮材料本身缺陷、焊接變形和質量問題等意外情況，若需考慮，建議最終取值根據上述計算結果適當增大。

[1] 李強，高耀東.有限元技術的發展及其在機械工程中的應用[J].數字制造科學，2003，(1):1-4.

[2] 成大先.機械設計手冊(第三版)[M].北京：化學工業出版社，2008.

[3] GB/T3811—2008，起重機設計規范[S].

[4] GB50017—2003，鋼結構設計規范[S].

Structure Optimization of End Beam of the European Crane Based on ANSYS Workbench

ZHAO Han

The paper makes modeling three-dimensional to the end beam of European crane by Pro/E software, analyses the stress and displacement of the European crane beam by the finite element software ANSYS Workbench, optimizes its structure by using ANSYS workbench according to the calculated results, which can be a reference to design and calculation of the similar racks.

the European crane beam； finite element； design optimization； ANSYS workbench

2014-12-10

趙 含(1973-)，男，內蒙古赤峰人，高級工程師，大學本科，主要從事設計研發工作。

TP391

B

1003-8884(2015)01-0035-04