基于ANSYS的造橋機箱型主梁結構優化

王家勝，靳 康

(華北水利水電大學工程訓練中心，河南 鄭州 450000)

造橋機是一種廣泛應用于橋梁道路施工的可移動的混凝土澆筑設備。造橋機具有效率高、速度快、可靠性強等優點[1]。主梁是造橋機的關鍵承重部件，其結構安全與否直接影響澆筑質量。同時要對造橋機進行整體減重，對主梁進行輕量化優化是必要的，這不僅可以降低經濟成本，還可以為主梁結構尺寸設計提供參考。

1 參數優化

參數化設計的原理是利用建模軟件建立產品的數據仿真模型，并把特定的因素信息設為能夠編輯修改的變量參數，通過對特定的可變參數進行限制即設置約束條件，利用計算機進行輔助計算，使分析過程在約束條件下自動運行，從而得到一系列的衍生品模型[2]。數據化的模型便于計算機進行修改和調試，可以節省大量的時間，提高設計效率，能夠有效地控制生產成本，避免重復生產調試的材料損耗。

計算機硬件的更新換代及分析算法的不斷優化，極大提高了計算機數據處理能力，可以極快完成大量數據方案的分析，并挑選出最優設計方案[3]。

2 分析方案

利用ANSYS參數化設計語言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)，對主梁結構的幾何數據進行參數化，利用循環迭代算法，連續迭代優化變量數值，最終得出箱型主梁結構尺寸的最優解。在迭代過程中，將最大許用應力和最大變形量設置為約束條件[4]。

利用ANSYS經典版軟件平臺，借助于APDL程序語言，對主梁的尺寸進行優化。初步優化方案如下：借助APDL命令流，建立移動模架的有限元分析模型(完成網格劃分)，在求解器中，完成靜力分析，之后在后處理模塊中進行參數優化設置；利用優化分析模塊提取分析數據，完成數據選擇和變量選取以及數據交互迭代過程。移動模架主梁優化分析方案如圖1所示。

圖1 移動模架主梁優化方案圖

3 主梁優化

造橋機的主梁結構形式屬于上下雙層高腹板箱梁，主梁重量在造橋機整體中占比較大，文章借助ANSYS語言，在不改變主梁長度尺寸的基礎上，對箱梁截面的幾何尺寸進行優化。將模型計算結果的強度和剛度數值，設定為此次主梁優化分析的約束條件[5- 7]。

3.1 設計變量

通過變量參數的迭代修改，可以取得不同的分析結果。本項目以主梁原始截面尺寸及板厚為初始變量，進行迭代計算。在計算過程中，只考慮主梁整體結構，局部加強板等結構在本次優化分析中暫不考慮；利用截面積等效累加的方法，將主梁上下蓋板的整體加強板和滑道等結構的截面面積等效累加于相連的結構部位[8- 9]。

移動模架的主梁分為3節，每節主梁包含上下兩部分的箱型梁結構，并通過立柱進行連接，在本次優化分析中，設計變量參數主要是主梁矩形截面長寬尺寸及各板厚度等數據，變量參數的分布情況如圖2、圖3所示。

圖2 箱型主梁截面示意圖(單位：mm)

圖3 箱型主梁參數變量分布

3.2 目標函數

目標函數(Object Function，OBJ)指的是程序分析迭代完成后，要完成的任務需求。本次主梁優化過程就是將箱型主梁的總重量選為目標函數，同種材料中要求結構重量最輕也就等同于結構體積最小，因此，本次分析選取的目標函數是主梁的總體積即程序中VOLUME值。

3.3 狀態變量

狀態變量指的是在程序分析迭代時，變量參數的可修改范圍，即約束條件。對于本次主梁分析，主要是最大應力和最大變形兩個數據，所以約束函數設置如式(1)和式(2)所示。

SEQV≤250MPa

(1)

UYmax≤[UY]=125mm

(2)

式中，SEQV—主梁最大總應力，MPa；UYmax—主梁豎直方向最大變形量，mm；UY—豎向變形量，mm。

完成整體模型的有限元靜力分析后，利用GET函數進行數據信息的調用，并把調取的數據，重新設置為狀態變量和目標函數的參數值，進行下一次迭代計算。本次移動模架箱型主梁優化分析計算中，目標函數選定為主梁的總體積，狀態變量選定為移動模架箱型主梁的總應力值和位移極值。

4 箱型主梁迭代分析結果

利用零階優化算法，完成移動模架箱型主梁的輕量化分析設計，最大迭代次數設置為65次，本次分析一共進行了42次計算即達到收斂條件，最優方案出現在第35次計算中，其分析數據對比見表1、表2。

表1 主梁優化參數對比數據表

表2 主梁位移、應力、體積參數優化對比表

由表1及表2數據可以發現，主梁高和寬度值變化范圍較小，因此對于一號和二號主梁可以減少上蓋板和腹板厚度。整體優化分析過程的變化趨勢如圖4、圖5所示。

圖4 主梁體積變化迭代趨勢圖

由圖4和圖5明顯可以看到主梁的總體積是逐漸下降的，主梁的位移極值和應力極值在上下起伏，并逐漸收斂。因此在主梁選擇最優迭代設計方案時，主梁應力極值Smax=242.2MPa，主梁位移極值Dmax=112.1mm，此時體積為0.149×1011mm3，比初始體積降低了大約11.6%，在滿足主梁強度及剛度使用要求的前提下，有效降低了材料的使用，可以明顯減少主梁的生產成本。

按照主梁優化參數對比數據表，對表格尺寸數據處理后，重新進行移動模架仿真模型的有限元分析。主梁原重約282t，優化后重量下降約32.6t，減重占比11.56%。

優化后造橋機滿載工況如圖6、圖7所示，最大應力為235.6MPa，位置在前主支腿上，變形極值為252.9mm。優化后主梁應力云圖如圖8所示，此時優化后的主梁應力極值是221.3MPa，優化后主梁豎直向變形圖如圖9所示，豎直向的最大變形為-132.5mm。主梁選用的材料是Q345B，其許用應力250MPa，滿足設計使用要求。

圖6 優化后造橋機筑梁滿載應力云圖

圖7 優化后造橋機筑梁滿載變形云圖

圖8 優化后主梁應力云圖

圖9 優化后主梁豎直向變形圖

5 小結

(1)文章采用零階優化算法對造橋機主梁進行輕量化設計：通過對主梁幾何尺寸循環迭代，在保障剛度和強度的前提下，篩選出更能發揮材料性能的結構尺寸，優化后主梁減重約11.56%。

(2)利用優化尺寸對造橋機整體模型進行有限元計算分析，優化后主梁的應力極值是221.3MPa，變形極值為-132.5mm；在此工況下，移動模架的強度和剛度都能夠滿足材料的設計使用要求，所以主梁的優化參數是可取的。

(3)通過箱型梁優化分析的案例，ANSYS有限元分析軟件的便捷性和實用性得到了充分發揮，并對類似箱型梁結構的輕量化設計具有借鑒意義。