基于ANSYS的塔機起重臂結構輕量化設計

賈　潔,　萬一品，　劉洪海,　劉曉婷

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安　710064)

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基于ANSYS的塔機起重臂結構輕量化設計

賈潔,萬一品，劉洪海,劉曉婷

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安710064)

為保證塔機起重臂結構在安全工作條件下質量最輕,文章借助APDL語言在ANSYS中建立QTZ5010型塔機起重臂結構有限元模型,并進行靜態仿真分析,得出起重臂結構應力應變情況及其富余量;以起重臂結構輕量化設計為目標,結構橫截面尺寸為優化變量,極限工況載荷下結構應力應變為約束,建立了起重臂結構優化設計數學模型,并對其結構質量最小化進行迭代計算。迭代結果顯示，起重臂結構質量減少了309 kg,減輕了11.6%,實現了起重臂結構的輕量化設計,并且優化后的臂架結構強度比優化前有明顯提升。分析結果表明建立的起重臂結構優化數學模型具有可行性,為現役塔機結構輕量化設計提供了參考。

起重臂;有限元分析;數學模型;輕量化設計

0　引　　言

塔式起重機實現節能減排的核心問題是減輕塔機結構質量,起重臂是塔機的核心部件,其輕量化設計對于整機結構減重至關重要。塔機起重臂的輕量化設計是在滿足起重臂起重性能的同時減小臂架結構質量,從而降低生產成本[1]。輕量化設計的實現途徑有2種,即選取新型輕質材料和對結構尺寸進行優化,前者不能降低生產成本,因而多采用后者實現結構輕量化設計[2]。文獻[3]借助于有限元方法探討了某型號起重臂結構的尺寸優化;文獻[4]采用基于DOE實驗設計理論構建起重臂優化數學模型,實現結構尺寸優化;文獻[5]提出了起重臂吊點位置優化和型鋼尺寸優化策略,編制優化程序實現起重臂結構優化。

本文以西安京龍公司QTZ5010型塔機輕量化設計為基礎,以結構尺寸和質量為優化目標、結構強度為約束,建立優化數學模型,基于ANSYS優化平臺選擇合理優化算法[6],對起重臂進行輕量化迭代計算,并對優化結果進行驗證分析。

1　起重臂結構分析

QTZ5010型塔機50 m長起重臂結構建模時,將結構連接點視為節點。選擇梁單元beam188,自由網格劃分,得到起重臂結構有限元模型。起重臂工作時考慮風載作用,其施加載荷和位移約束如圖1所示。

圖1　典型工況載荷施加與位移約束圖

在起重臂超靜態實驗中載荷取塔式起重機額定起重載荷的1.25倍[7],分別在圖1中A、B、C3點處起吊重物,A點在50 m長起重臂末端,B點在26 m幅度處,C點在2 m幅度處,計算得到的典型工況載荷[8-9]與位移約束見表1所列。

表1　起重臂工況載荷與位移約束

按照表1中的載荷大小與加載方式進行力的加載和位移邊界條件處理,可以得到3種工況下塔機結構靜力學分析結果和吊臂危險點位置,靜力學分析3種工況下應力云圖如圖2所示。

圖2　典型工況下靜力學分析應力云圖

由圖2可以知道,起重臂最大應力值為135.24 MPa,小于材料許用應力值175 MPa；最大位移變形量64.20 mm,每米變形量為1.28 mm/m,小于國家標準規定的1.5 mm/m。該型起重臂結構可以進行輕量化設計,以減輕整機自重。

2　結構優化模型建立與求解

2.1優化模型建立

起重臂結構優化是要實現優化模型中設定的多個參數指標同步最優[10],以結構尺寸為優化設計參數、起重臂輕量化為目標建立優化模型，優化設計流程如圖3所示。

根據起重臂結構特點確定設計變量[11],分別選取起重臂結構中斜腹桿內徑尺寸R1和外徑尺寸R2、直腹桿內徑尺寸E1和外徑尺寸E2以及懸桿角鋼厚度的4個尺寸(T1、T2、T3、T4),參考結構原始尺寸確定變量區間。

圖3　結構優化設計流程

根據結構有限元分析結果,建立優化函數為:

(1)

其中,f(x)為結構質量;ρ為材料密度;V(xi)為結構體積,xi為設計變量，即結構尺寸。

建立2個狀態變量,即應力變量S和位移變量D,則對應的應力約束條件為:

(2)

其中,Smax為最大等效應力;Si為第i個節點等效應力；[S]為材料許用應力。

對應的位移約束條件為:

(3)

其中,Dmax為最大位移變形量;Di為第i個節點處位移變形量;[D]為許用位移變形量。

2.2模型求解

采用ANSYS中的Design Opt優化設計部分對起重臂進行結構優化[12]。在優化過程中設計變量的變化如圖4所示,目標函數值的變化曲線如圖5所示。

圖4　設計變量優化過程變化曲線

圖5　目標函數值優化過程變化曲線

將分析結果整理得到各個設計變量優化前、后的實際值與變動幅度，見表2所列。

表2　優化前、后相關變量的變化情況

對起重臂結構優化可得:① 尺寸R1和E1分別增大5.5%和6.8%,T2和T4分別減小2.9%和6.1%;② 起重臂結構質量減少了309 kg,減重11.6%,實現了輕量化設計。

3　優化后模型驗證

按照優化后的結構尺寸,修改原模型尺寸,按表1施加載荷和約束,靜力學分析應力結果如圖6所示。

圖6　優化后典型工況靜力學分析應力云圖

優化前、后3種工況下靜力學分析結果見表3所列。

表3　靜力學分析結果

由表3可以看出,優化后最大應力值為117.43 MPa,比優化前減小17.81 MPa;最大位移變形量為31.92 mm,比優化前減小32.28 mm。優化后的起重臂靜強度優于優化前的,QTZ5010型塔機起重臂結構優化后的尺寸是安全的,有效利用了材料的強度性能,減輕了整機自重,實現了輕量化設計。

4　結　　論

本文通過對QTZ5010型起重機起重臂進行結構優化分析,得到如下結論:

(1) 建立起重臂結構有限元模型,通過靜力學分析發現,起重臂結構在極限工況載荷下的強度富余量過大,可以進行輕量化設計,以減輕整機自重。

(2) 以起重臂輕量化設計為目標建立結構優化數學模型,優化結果為起重臂結構質量減少309 kg,比原質量減輕了11.6%,實現了輕量化設計的目的。

(3) 通過對起重臂優化前、后的有限元分析對比可知,優化后的起重臂結構強度有明顯提高。

(4) 優化結果表明,本文結合有限元分析技術建立的起重臂結構優化數學模型具有可行性,為現役老舊式塔式起重機結構輕量化設計提供了一種切實可行的參考方法。

[1]謝然,蘭鳳崇,陳吉清,等.滿足可靠性要求的輕量化車身結構多目標優化方法[J].機械工程學報,2011,47(4):117-124.

[2]王平,鄭松林,吳光強.基于協同優化和多目標遺傳算法的車身結構多學科優化設計[J].機械工程學報,2011,47(2):102-108.

[3]鄭海斌,彭衛平,張大可.塔式起重機起重臂優化分析[J].建筑機械,2005(8):87-89.

[4]侯云霞.DOE技術在起重臂優化設計中的應用[J].艦船科學技術,2015,37(2):180-183.

[5]楊陽,秦大同,楊濤.塔機雙吊點水平起重臂結構優化設計研究[J].工程機械,2003,34(6):16-19.

[6]賈金鑫,李全通,高星偉,等.基于多目標優化算法的發動機進氣道設計[J].機械設計,2011,28(4):75-79.

[7]全國起重機械標準化技術委員會.塔式起重機設計規范:GB/T 13752—1992[S].北京:中國標準出版社,1992:11.

[8]王冬明,殷玉楓,王丹,等.塔式起重機結構動力學分析及載荷計算方法[J].機械設計,2014,31(7):85-88.

[9]鐘華勇,馮永愷,趙韓.動臂式起重機結構設計與關鍵部件分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2013,36(8):906-909.

[10]ARNAUD Z, CAROLINE G, MARC G.Pareto memetic algorithm for multiple objective optimization with an industrial application[J].Journal of Heuristics,2008,14(4):313-333.

[11]ROSHANIAN J, KESHAVARZ Z.Effect of variable selection on multidisciplinary design optimization:a flight vehicle example[J].Chinese Journal of Aeronautics, 2007, 20(1):86-96.

[12]崔少杰,范順成,管嘯天,等.動臂塔式起重機的動態特性及其影響分析[J].機械設計,2015,32(2):66-69.

(責任編輯胡亞敏)

Lightweight design of tower crane boom based on ANSYS

JIA Jie,WAN Yipin,LIU Honghai,LIU Xiaoting

(Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to get the lightest weight of the tower crane boom under the safe working condition, the finite element model of QTZ5010 tower crane boom was established by using ANSYS parametric design language(APDL) and the static simulation was made to get the stress and strain distribution and the strength and stiffness margin. With the boom structure lightweight design as the optimization goal, the dimension of cross section as the optimization variables and the stress and strain under the limit load as constraint, the mathematical model of the optimal design of the crane boom structure was built. The iterative computation of the lightweight of the crane boom structure was conducted, and the results showed that the loss of the structural weight was 309 kg, reducing by 11.4%. The lightweight design of the boom was realized, and the strength of the structure was obviously improved after optimization. The results show that the presented optimization mathematical model is feasible and can provide a reference for the lightweight design of active tower crane structure.

crane boom; finite element analysis; mathematical model; lightweight design

2015-08-25；

2015-10-15

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(310825163407；2014G3252006)

賈潔(1990-),女,陜西韓城人,長安大學博士生;

劉洪海(1963-),男,陜西西安人,博士,長安大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.006

TU61

A

1003-5060(2016)07-0892-04