基于ANSYS的桁架系統參數化設計與目標優化

裘羅浙男，張文輝*，林森海，蔣黎紅，江　潔

(1.麗水學院 工程與設計學院，浙江 麗水 323000；2.浙江斯凱瑞機器人股份有限公司，浙江 麗水 323000)

基于ANSYS的桁架系統參數化設計與目標優化

裘羅浙男1，張文輝1*，林森海2，蔣黎紅1，江潔1

(1.麗水學院 工程與設計學院，浙江 麗水 323000；2.浙江斯凱瑞機器人股份有限公司，浙江 麗水 323000)

摘要：桁架機構屬于各類機械裝置的典型結構，在采樣機械臂及機電設備中應用廣泛。首先建立典型三桿桁架機構的有限元模型，進而通過對其工況受力分析來定義約束和施加載荷；在滿足強度和剛度的情況下，基于ANSYS對桁架機構進行了以材料最省為目標的參數優化，通過迭代優化，使最后重量相比初始設計值節省了70%，且受力情況滿足應力要求，為桁架研發提供重要參考。

關鍵詞：桁架機構；有限元；應力分析；參數優化

桁架機構屬于機電裝置中的典型結構，在機械臂及機電設備中應用廣泛。桁架系統的桿件主要承受軸向拉應力，或稱彎矩，它是由桿件焊接、鉚接或者螺栓連接而成的框架結構，屬于格構式梁的一種。桁架臂相對實腹式臂架更加節省材料，且臂架材料強度利用率高，同樣的結構強度，桁架式臂架可以降低自身重量，在資源寶貴的今天具有重要意義[1-2]。

桁架系統通過桿件鉸接而成，大部分屬于靜定結構，通常采用結點法或者界面法對桿件的軸向力進行求解，但求解過程繁瑣。

ANSYS軟件是當前國際上通用的大型有限元分析軟件，在化工工業、航空航天、電子能源、土木建筑等行業領域應用廣泛。ANSYS功能強大，仿真精度高，目前已成為國際最流行的有限元分析軟件[3-4]。

本文針對機械裝置中的典型桁架系統的結構優化問題進行研究，以材料最省為目標。首先對典型三桿桁架機構進行了有限元模型建立，對其工況受力進行分析，定義約束并施加載荷，在滿足強度和剛度的情況下，基于ANSYS對桁架機構進行了以材料最省為目標的參數優化，通過迭代優化獲得最優重量，且受力情況滿足應力要求，為桁架研發提供重要參考。

1桁架系統基于ANSYS的有限元建模

當前最為普遍的桁架系統由3根桿件組成，一般工況下，其上部中間點承受縱向載荷Fx=200 000 lb，Fy=200 000 lb(1 lb=0.453 592 37 kg)的力，3根桿的下端均固定約束。

查表得如下設計要求：

(1)桁架最大應力不超過500 psi(1 psi= 6 894.76 Pa)，psi為磅/每平方英尺；

(2)桿件分別定義為A1、A2和A3，橫截面分別為A1=1 000 in2,A2=1 000 in2,A3=1 000 in2)；

(3)確定3根桿的跨度B=1 000 in(1英寸=0.025 4 m)，使設計在符合強度要求的條件下桿重量最小化，且各桿面積變化范圍在1～1 000 in2之間變化(初始值為1 000 in)，跨度B變化范圍在400～2 000 in之間變化(初始變化為1 000 in)。

采用國際通用大型有限元分析軟件ANSYS進行研究[5]。主要設計步驟如下：

(1)平面幾何圖形設計，如圖1所示。

圖1　桁架幾何圖形

(2)建立桁架三維模型，如圖2所示。

圖2　桁架三維建模

(3)定義約束:ANSYS建模命令具體步驟為：Main Menu→Solution→Solution →Define Load >Apply→Structural→Displacement→On Nodes。選擇All DOF 約束所有自由度，其他默認，再單擊OK按鈕，完成約束定義。

(4)載荷施加:ANSYS載荷施加命令為Main Menu→Solution→Define Load→Apply→Structural→Force/Moment→On Node命令，出現拾取菜單，選擇節點1，單擊OK按鈕出現載荷定義對話框，載荷類型為集中力Fx， Fy，數值均為200 000 lb，再單擊OK按鈕完成載荷的施加。

(5)模型求解:運行主菜單 Main Menu→Solution→Current LS命令，出現Solve Current Load Step對話框，單擊/STAT Command 窗口菜單/STAT Command→File→Close 關閉/STAT Command窗口，然后單擊Solve Current Load Step菜單中的OK按鈕確定，進行求解，求解后獲得初始重量為1 091.1 lb (見圖3)。

圖3　桁架初始重量

2基于ANSYS桁架系統參數優化

為了節省不必要材料，需要對其進行結構優化，遵循參數重要性原則，選取對結構影響明顯的參數為設計變量。

1)定義優化設計變量：在minimum value后面的文本中輸入400，在maximum value后面的文本中輸入2 000，單擊apply按鈕完成定義，如圖4所示。

圖4　桁架優化設計變量定義

2)桁架桿件應力在迭代過程中的變化云圖如圖5所示。

圖5　桁架應力迭代優化情形圖

3)桁架桿件截面變量在迭代過程中的參數變化情形圖如圖6所示。

圖6　桁架截面參數迭代優化情形圖

4)桁架桿件總重量在迭代過程中變化如圖7所示。

圖7　桁架桿件總重量迭代優化情形圖

由圖6中 SIG1、SIG2和SIG3對應桿A1、A2和A3的應力曲線可以看出，在第9次迭代趨于穩定，且均為超過極限值500 psi。由圖7可以看出A1、A2、A3橫截面積在迭代7次后即趨于穩定，且由初始值1 000分別降為660 in2,90 in2和10 in2，出桁架總重量在第9次迭代趨于穩定，由初始值1 091 lb降至300 lb，在滿足應力要求的情況下，減少材料達到70%，達到了參數優化效果。

3結論

本文建立了典型三桿桁架機構的有限元模型，分析三桿桁架機構的受力工況，并對其約束和載荷進行定義，在滿足強度和剛度的情況下，基于ANSYS對桁架機構進行了以材料最省為目標的參數優化。相比初始設計值，優化后的材料重量節省了70%，且受力滿足應力要求，為桁架研發提供重要參考。

[參考文獻]

[1]嚴海綱,黃泊戩,梅雪峰.采煤機搖臂殼體有限元分析[J].煤礦機械，2011,3(10):45-50.

[2]楊宏亮，彭巖.液壓缸承受徑向載荷的非線性有限元分析[J].機械設計與制造,2008(6):23-26.

[3]高勇.基于ANSYS的篩煤機振動軸模態計算[J].煤礦機械，2014(1): 10-11.

[4]林榮川，郭隱彪，魏莎莎，等.液壓缸臨界載荷計算和最優設計[J].中國機械工程，2011(9):125-128.

[5]江潔，張文輝，蔣理劍. 煤炭采樣機械臂基于ANSYS的多目標優化設計[J].煤礦機械，2016,10(3):45-50.

(責任編輯：張凱兵)

Parametric Design and Target Optimization for Truss System Using ANSYS

Qiuluo Zhe’nan1, Zhang Wenhui1*, Lin Senhai2, Jiang Lihong1,Jiang Jie1

(1.SchoolofEngineeringandDesign，LishuiUniversity，Lishui,Zhejiang323000,China; 2.ZhejiangSikairuiRobotCo.,LTD，Lishui,Zhejiang323000,China)

Abstract：Truss mechanisms belong to the typical structure of various mechanical equipments and are widely used in robotic manipulators and all kinds of engineering equipments. The finite element model of three typical lever truss mechanism is firstly established in this paper, and the forces of the working condition on the girder are analyzed. Then the constraints and applied load are defined to satisfy the intensity and the rigidity. The parameter optimization is constructed to minimize the amount of material for the truss mechanism based on ANSYS. The results show that the final weight saves of 70%, compared with the initial design value, and satisfies the requirement of stress and strain for truss.

Key Words：truss mechanisms; finite element; prestress analysis; parameters optimization

收稿日期：2016-02-17

基金項目：浙江省自然科學基金資助項目(LY14F030005)；浙江省科技廳公益技術資助項目(2015C31160)；浙江省

作者簡介：裘羅浙男(1993-)，男，浙江杭州人，麗水學院工程與設計學院學生。

中圖分類號：TH122

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4824(2016)03-0081-03

新苗人才資助項目(2015R431001)；浙江省教育廳項目(Y201534043)；麗水市高層次人才資助項目(2015RC04)；

麗水市科技計劃項目(2015KCPT03)

張文輝(1980-)，男，河南正陽人，麗水學院工程與設計學院副教授，博士,本文通信作者。