ANSYS結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設計在起重機車架上的應用

摘要：起重機車架是起重機中的關(guān)鍵部件，對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計是其重要研究內(nèi)容。通過物理實驗方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計成本較大，且消耗大量時間。優(yōu)化設計手段主要包括基于數(shù)學模型的優(yōu)化設計和基于計算機輔助分析的優(yōu)化設計兩大類，有限元法為使用計算機仿真技術(shù)提供了理論基礎，ANSYS作為機械結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，已廣泛應用于機械設計中，其功能包括了結(jié)構(gòu)靜力有限元優(yōu)化設計模塊，這為通過計算機進行起重機車架優(yōu)化設計提供了可能。對某種起重機車架進行結(jié)構(gòu)分析，提出結(jié)構(gòu)中可以進行優(yōu)化設計的部分，為進一步設計研究起重機車架提供了方向。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);故障診斷;仿真技術(shù);算法

作者簡介：汪陽（1984-），男，安徽蚌埠人，本科，工程師，研究方向為起重機結(jié)構(gòu)設計與研究。

0 ?引言

起重機能夠在一定的使用范圍內(nèi)提升、運輸、裝卸重物[1，2]。根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示，起重機械的對外出口量逐年增長，在工程中得到了廣泛的應用。起重機的結(jié)構(gòu)基本由起升機構(gòu)、運行機構(gòu)、變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成[3，4]。其吊臂、轉(zhuǎn)臺和車架占據(jù)起重機大部分重量，因此，對車架的優(yōu)化研究十分重要。優(yōu)化設計是機械結(jié)構(gòu)設計的重要組成部分，目前，對機械機構(gòu)的優(yōu)化設計手段主要包括兩種：基于數(shù)學模型的優(yōu)化設計和基于計算機輔助分析的優(yōu)化設計。其中，基于數(shù)學模型的優(yōu)化設計方法較為傳統(tǒng)，因為其數(shù)學模型包含許多假設，對于簡單的機械結(jié)構(gòu)，可建立其優(yōu)化數(shù)學模型，但對復雜的機械結(jié)構(gòu)，其優(yōu)化模型往往無從建立，因此，在工程中常采用計算機輔助分析方法進行優(yōu)化設計探索。ANSYS優(yōu)化設計模塊可完成復雜機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化探索[5，6]，現(xiàn)已在機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計中得到廣泛應用。

1 ?ANSYS優(yōu)化設計

1.1 ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析理論

有限元法可求解邊界值或初值問題，其基本思想是將整體區(qū)域進行有限維度劃分，成一定數(shù)量的子區(qū)域，用子區(qū)域的試探函數(shù)來近似連續(xù)體函數(shù)，因此，求解連續(xù)體的微分方程即變?yōu)橛邢薜拇鷶?shù)方程。在理論上，可采用矩陣方法進行理論分析，而在實際求解中可采用計算機輔助分析技術(shù)進行求解。有限元法包括線性有限元和非線性有限元兩部分。其中，線性有限法以彈性力學為基礎，其研究的主要問題有桿系有限元、平面力學問題、軸對稱問題、板殼有限元等。非線性有限元的主要求解方法有直接迭代法、牛頓法、擬牛頓法、增量法等，主要解決非線性、大變形問題。

在彈性力學中，內(nèi)力與體積力的關(guān)系方程為：

式中，A為微分算子矩陣;Fb為體積力矩陣;ρ為體積密度;σ為應力矩陣;d為位移矩陣。

應變與位移的關(guān)系方程為：

應力與應變之間的本構(gòu)關(guān)系為：

式中，D-1為彈性矩陣的逆矩陣。

應力邊界條件為：

式中，F(xiàn)s為表面力矩陣;L為表面外法線方向余弦矩陣。

位移邊界條件為：

式中，d為已知位移沿坐標分量矩陣。

1.2 ANSYS優(yōu)化設計模塊

ANSYS將結(jié)構(gòu)力學、熱力學、流體力學、電磁學、聲學、電化學等學科融為一體，以有限單元法（FEM）為基礎，組成一款大型通用有限元分析軟件。ANSYS軟件提供了建模功能和網(wǎng)格劃分功能，用戶可根據(jù)需要建立所需的有限元模型，由于ANSYS的三維立體模型的建模能力有限，且操作不太友好，在實際分析時，通常選擇第三方的三維建模軟件進行建模，如SolidWorks、UG、Creo、CATIA等，建立好模型后導入ANSYS進行網(wǎng)格劃分和有限元分析與后處理。

ANSYS本身集成有優(yōu)化設計探索模塊：Design Explorer。在Design Explorer中，用戶可建立優(yōu)化設計模型，進行六西格瑪設計、魯棒設計、目標驅(qū)動優(yōu)化等。Design Explore模塊以參數(shù)化模型為基礎，模型必須有輸入和輸出參數(shù)。輸入?yún)?shù)如尺寸、壓力、網(wǎng)格數(shù)量等。輸出參數(shù)包括質(zhì)量、頻率、位移、應力、應變等。ANSYS優(yōu)化設計包括中心組合設計、自定義設計、優(yōu)化空間填充設計、自定義取樣設計、初始化稀疏網(wǎng)絡等。優(yōu)化設計中的響應面的擬合方法包括二次多項式法、克里格法、非參數(shù)回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡法和稀疏網(wǎng)絡法。目標驅(qū)動優(yōu)化從給出的一組樣本得到最優(yōu)的設計點，優(yōu)化算法有篩選法、哈莫斯利算法等。

進行ANSYS優(yōu)化設計探索的基本步驟如圖1所示。建立優(yōu)化設計模型主要是創(chuàng)建ANSYS可識別的參數(shù)化模型，使用ANSYS本身的建模功能即可完成，但目前該功能的操作性還不夠簡便，在使用第三方建模軟件時必須要與ANSYS進行聯(lián)接，否則ANSYS無法識別優(yōu)化參數(shù)，導致模型無法自動更新和重建。建好優(yōu)化模型可導入ANSYS中，在模型處理中選擇需要優(yōu)化的參數(shù)，選擇好后需要進入分析選項檢查參數(shù)是否都包含。

模型檢查完畢后，則需對優(yōu)化參數(shù)進行水平設置，用戶可根據(jù)需要設置優(yōu)化水平，優(yōu)化水平越多，優(yōu)化探索的項目就越多，這將導致計算時間的增多，所以用戶可進行大范圍優(yōu)化探索，得到優(yōu)化區(qū)間后再進行小范圍優(yōu)化探索。更新模型時ANSYS自動進入求解，此時模型將根據(jù)參數(shù)水平的設置自動進行更新，用戶需等待一定時間，直至求解完畢。

2 ?起重機車架優(yōu)化探索方向

2.1 車架的優(yōu)化探索

某起重機車架模型如圖2所示。圖中包括三大優(yōu)化設計部分，其中1為前置結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分，2為支撐梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分，3為后置結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分。由于優(yōu)化探索時，模型處于自動更新過程中，所以在沒有較大影響結(jié)果的前提下，應適當?shù)暮喕Y(jié)構(gòu)，故可將這三大優(yōu)化部分簡化為空心梁結(jié)構(gòu)，將梁的長度、板厚作為優(yōu)化參數(shù)，分析結(jié)果中的應力、應變、質(zhì)量作為優(yōu)化指標，以簡化優(yōu)化模型，提高計算效率。

2.2 車架優(yōu)化設計發(fā)展趨勢

隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展，工程中對起重機的噸位要求越來越大，故對其機構(gòu)強度、重量等的要求也越來越高，超大噸位的起重機未來發(fā)展的必然趨勢。噸位的上升，并不意味著機械結(jié)構(gòu)的線性增大，反而要求機械結(jié)構(gòu)朝向輕型化、高性能、高效率方向發(fā)展。因此，降低起重機重量，提高起重機的動力學品質(zhì)是未來起重機的研究和發(fā)展趨勢。

3 ?結(jié)束語

介紹了ANSYS有限元法及其優(yōu)化設計模塊與優(yōu)化設計步驟。對某種起重機車架進行了3大優(yōu)化部分的劃分，以空心梁模型簡化優(yōu)化探索模型。提出超大噸位、輕型結(jié)構(gòu)與動力學品質(zhì)優(yōu)良的起重機是其未來發(fā)展趨勢。

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