基于Ansys的超大型平頭塔式起重機平衡臂優化設計

郭紀斌+張春蘭+李青云

摘要：以T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂為研究對象，對其結構進行優化設計。首先建立平衡臂有限元仿真模型，然后采用Ansys中的APDL算法語言和參數化技術對平衡臂結構相關設計尺寸進行參數化建模，通過結構優化，最后得到平衡臂主體結構的最優截面尺寸，結果表明平衡臂整體結構強度和剛度滿足設計方案要求，參數化設計能提高工程機械的設計質量。

關鍵詞：超大型平頭塔式起重機；平衡臂；優化設計；有限元

中圖分類號：TH2文獻標識碼：A

Abstract：Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object，the structure is optimized. Firstly，the finite element simulation model of the counterjib is established. Then，the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization，the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained，The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements，and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.

Key words：super large flattop tower crane，counterjib，optimized design，finite element

1引言

隨著有限元技術的不斷發展，計算機輔助設計在塔式起重機關鍵組成部件的優化分析設計中得到了廣泛應用。計算機輔助設計及有限元分析技術的引進使用，使得塔機產品使用起來更加安全和高效。超大型平頭塔式起重機作為塔機發展的方向，其結構復雜，工況多樣，僅僅對其進行整體的綜合系統設計是不夠的，更應該關注其細節結構設計分析，關注計算機優化設計。

本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機作為研究對象，利用計算機輔助設計技術對平衡臂結構進行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂結構的優化設計，達到降本增效的目的。

2Ansys有限元分析優化設計的有關概念121設計變量設計方案完成后，其中的設計元素可以用一組基本參數數值來表示，這一組參數數值就是所謂的設計變量。

22目標函數

在產品結構設計中，可以利用一些設計指標衡量一項設計方案的好壞，通過把設計指標參數化得到相關函數來表示這些指標，這些相關函數即是優化設計的目標函數。

計算技術與自動化2017年6月第36卷第2期郭紀斌等：基于Ansys的超大型平頭塔式起重機平衡臂優化設計23約束性條件

所謂約束性條件是在對與目標函數相關的設計變量進行取值時加入的限制性條件。約束類型按照目標函數中設計變量的不同性質可分為邊界性約束和性能性約束。

24合理性設計

所謂合理性設計是指滿足設計方案所有給定約束條件（包括設計變量的約束和狀態變量的約束）的設計。倘若給定約束條件中的任一條未滿足，該設計就被認為是不合理的。而最優設計就是既能滿足所有約束條件同時目標函數值又是最小的設計。

3超大型平頭塔機平衡臂優化設計的步驟

在Ansys軟件中可以用兩種方式進行結構優化設計：圖形交互式或者數據批處理來完成。在本論文中，選用數據批處理方式來進行平衡臂結構優化設計，以期提高優化設計效率。

由于用戶采用優化方式的差異（批處理或GUI方式），Ansys優化設計步驟會有些許差別。本論文中平衡臂優化設計步驟如下：

31分析文件的生成1311參數化建立模型通過Ansys軟件/PREP7命令把設計方案中的設計變量參數化建立數據模型的工作完成。對于本論文選定的T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂，設計變量是拉桿和臂架弦桿的尺寸，如表1所示。

表1設計變量

設計變量1初值（mm）1變量含義X112001平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X21361平衡臂下弦桿角鋼L200X36的截面長度X31651平衡臂拉桿圓鋼Φ130的半徑

312計算求解

Ansys中的求解器主要是對分析類型和分析選項在優化過程中進行定義，并完成載荷的施加，及對載荷步的指定，最后進行有限元分析計算，同時在分析過程中需要的數據都要在計算求解過程中指出。

在本論文平衡臂的優化分析中，solution 部分輸入如下：

/SOLU

PREP7，

…

BEAM，P21X，5，PRES，-0.2c-5，…

Acc1，0，10000，0，

AUTO CP，0，0.65*2，

SOLVE，

FINISH。

313提取參數化分析結果

對分析結果進行提取并給相應的參數賦值，這些參數通常情況下包括目標函數和狀態變量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是與數據的存儲、加減或者其他操作相關時，而對數據的提取通常用*GET命令（Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data）來完成。

在本論文研究中，設置平衡臂總重量為目標函數。因為重量和體積成比例關系，對產品總體積的減小就相當于總重量的減少，因此把總體積設計為目標函數。在優化研究中，把軸向應力、節點位移設置為狀態變量。這些參數的設定可以用下面的方法進行定義：

/POST1

ETABLE，evolume，VOLU，

QR SSUM

*GET，VOLUME，SSUM，DEFORMED，EVOLUME

…

QR，SMAX_E，LS，0，1

CP，ETAB，SMAX_E，0，1，

*GET，SMAX_E，SORT，MAX

…

*GETT，DYMAX1，NODE，1528，Z，Y

…

32對計算結果優化分析

建立完成分析文件之后，就可以利用計算機進行優化分析。在優化處理器中，這些相關參數的值被假定為一個設計序列，所有參數會在Ansys數據庫中被自動設置為設計序列1。

4超大型平頭塔機平衡臂優化設計結果

通過10次迭代計算完成對模型參數的優化，目標函數與設計變量的變化如圖1—圖3所示。

圖1設計變量X1優化示意圖圖2設計變量X2優化示意圖圖3設計變量X3優化示意圖通過上面的優化示意圖可以看出，三個設計變量都是平衡臂主結構件的截面尺寸，經過優化計算，截面尺寸都得以減小，而與其相關的目標函數（平衡臂總體積）有總體減小的趨勢。

在優化計算時不僅要減少平衡臂體積，同時其結構對強度和剛度的設計要求也要滿足，所以本研究增設狀態變量1（平衡臂端部位移）和狀態變量2（截面危險節點的應力值）為研究對象，其優化過程如圖4—圖5所示。

圖4狀態變量1優化示意圖圖5狀態變量2優化示意圖從兩個狀態變量的優化過程可以看出，在經過多次迭代優化后各狀態變量值變量均在設定值范圍內變化，變化非常小。

目標函數的最優解在Ansys優化設計過程可以自動選出，在本論文中得出的最優解見表2。

由優化計算結果可以看出，平衡臂總質量由18.87噸優化到了17.13噸，減少了1.74噸，減重百分比為9.22%。與初始設計方案相對比，優化后主體結構件截面尺寸減小，從而降低了平衡臂總質量，達到了減輕平衡臂總重量的優化設計目標。通過對優化模型有限元分析結果的檢查，其結構剛度、強度均符合設計要求，如表2所示。

本論文選用Ansys一階優化方法對以平衡臂總質量為目標函數的方案進行計算優化，優化后平衡臂結構強度剛度均在設計允許值范圍內。通過定義主要結構件尺寸的優化，平衡臂總重量減少1.74噸，降幅9.22%。

5結論

本論文以T3000160超大型平頭塔式起重機平衡臂的優化設計為研究對象，采用現代設計理論和方法，使用主流有限元分析軟件Ansys完成對平衡臂結構的優化分析，其過程主要如下。

（1）建立T3000160塔機平衡臂有限元分析模型，選用BEAM188，MASS21等作為模型分析單元，確保有限元模型結構、重量等參數的設置符合實際情況。

（2）各項參數滿足設計方案要求。通過優化分析，得到平衡臂主體結構件的最優截面尺寸，同時有限元分析結果表明整體結構強度和剛度滿足設計方案需求。

（3）本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機的平衡臂進行有限元分析優化設計，為超大型平頭塔式起重機平衡臂及其他相關部件結構的強度分析和設計提供一個理論性的支撐，同時提高工程機械設計質量，縮短設計周期，促進優化設計法在起重機設計中的應用。

參考文獻

[1]張洪信.ANSYS基礎與實例教程[M].北京：機械工業出版社.2013.

[2]周寧. ANSYS APDL高級工程應用實例分析與二次開發[M].北京：中國水利水電出版社. 2007.

[3]起重機設計規范GB/T38112008[S].中華人民共和國質量監督檢驗檢疫總局.2009.

[4]馬東輝，趙東.基于ANSYS和MATLAB的結構優化設計[J].制造業自動化.2013.35（10）：106-108.

[5]李新華，張毅，戴琳.塔式起重機起重臂的模糊優化設計[J].機械與電子.2010（9）：92-93.

[6]孫運見，孫樂.基于Jaumin的等參單元算法框架設計[J].計算機輔助工程.2015（1）：63-67.

[7]楊周妮，吳作偉，雷鐵安. ANSYS優化方法與遺傳算法在結構優化方面的比較[J]. 自動化技術與應用.2004（7）：4-6.

[8]許覓婷，李納，謝天勝. 塔式起重機起重臂的有限元分析及多目標優化[J]. 無線互聯科技.2016（9）：122-123.