韓 龍， 錢 怡

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品提出越來(lái)越嚴(yán)格的要求。依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品其結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)相對(duì)保守，耗材過(guò)多，成本較高，性能難以達(dá)到最佳。由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向采用CAD/CAE等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。在保證產(chǎn)品強(qiáng)度、剛度、可靠性等條件下通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使產(chǎn)品小型化、輕量化是現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)追求的目標(biāo)［1］。

船舶牽引機(jī)械是中大型港口常用的港口設(shè)備，其作用在于拉動(dòng)貨船沿岸邊平行移動(dòng)，其小型化、輕量化不僅節(jié)省了材料，減少了生產(chǎn)成本，而且也降低了運(yùn)輸成本，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，牽引機(jī)械的優(yōu)化有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

文中以牽引機(jī)械初步設(shè)計(jì)方案為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析工具及其優(yōu)化模塊，對(duì)牽引機(jī)械構(gòu)件尺寸與應(yīng)力、變形、質(zhì)量等關(guān)系進(jìn)行探討，提出了其小型化、輕量化的最優(yōu)解。

1 船舶牽引機(jī)械系統(tǒng)建模、網(wǎng)格劃分

船舶牽引機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)主要包括塔頂、起重臂架、平衡臂、滑輪組、絞車以及回轉(zhuǎn)支承等組成。初始設(shè)計(jì)尺寸為:起重臂架上弦桿為Φ168×12規(guī)格的無(wú)縫鋼管，下弦桿為兩根180×180×14的方管，腹桿為Φ63×9規(guī)格的無(wú)縫鋼管，拉索為Φ25鋼纜。根據(jù)設(shè)計(jì)意圖及尺寸在PRO/E里建立船舶牽引機(jī)械初步的參數(shù)實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 船舶牽引機(jī)械三維實(shí)體模型Fig.1 3D solid model of a ship traction machine

船舶牽引機(jī)械構(gòu)件較多，由于回轉(zhuǎn)支承、塔頂及其他相關(guān)附件對(duì)整體影響不大，因而將其均按等效剛體質(zhì)量處理［2］。建立有限元模型時(shí)，起重臂部分采用SOLID 186單元，拉索則通過(guò)插入Command命令以LINK180單元模擬。根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取Q345作為牽引機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)材料(見表1)。

表1 材料特性Tab.1 Material properties

鑒于工作時(shí)起重臂根部固定，該處設(shè)為固定約束，采用固定耦合的方式表示與之相連的拉索。牽引機(jī)械的計(jì)算載荷選用最不利工況時(shí)的載荷組合:自重為分布力;牽引載荷以廠家提供數(shù)值施加;風(fēng)載以分布力的形式作用于塔機(jī)側(cè)面，其數(shù)值一般按六級(jí)風(fēng)壓設(shè)定［3］。將PRO/E中建立的三維實(shí)體模型通過(guò)相關(guān)接口導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及上述處理建立有限元模型。其中起重臂部分以全六面體網(wǎng)格劃分。

2 船舶牽引機(jī)械靜態(tài)應(yīng)力分析

設(shè)備的最大設(shè)計(jì)水平牽引載荷為20 kN，牽引纜繩與水平方向最大夾角為53°。通過(guò)對(duì)有限元模型求解，結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分布情況如圖2，3所示(44倍率)。

由圖2，3可知，牽引機(jī)械的最大位移產(chǎn)生在起重臂的端部，總體最大位移為38.801 mm。整機(jī)最大應(yīng)力出現(xiàn)在起重臂根部附近，即與回轉(zhuǎn)支承銜接處，Von Mises最大等效應(yīng)力 138.38 MPa。此外，拉索吊點(diǎn)附近及牽引載荷一側(cè)的下弦桿上，也有較大應(yīng)力分布。分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力值小于材料許用拉應(yīng)力［σ］=345 MPa和許用壓應(yīng)力［σ］=510 MPa。最大變形小于《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》所規(guī)定的剛度要求［4］，即吊臂懸臂撓度 f≤4L/1 000，其中L為起重臂軸向尺寸，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值L=22.04 m?？梢姵醪皆O(shè)計(jì)方案滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求。

3 優(yōu)化求解

由靜力計(jì)算結(jié)果分析中可知，船舶牽引機(jī)械整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度剛度要求，但整機(jī)大部分區(qū)域過(guò)于安全，浪費(fèi)材料，增加制造的成本。因此，可通過(guò)減少起重臂主要構(gòu)件的壁厚以最省的材料實(shí)現(xiàn)預(yù)定的性能要求［5］。

為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的，定義牽引機(jī)械的最大等效應(yīng)力及最大變形為狀態(tài)參數(shù)，臂架主要構(gòu)成桿件的壁厚為設(shè)計(jì)參數(shù)。因結(jié)構(gòu)所用構(gòu)件皆選用標(biāo)準(zhǔn)件，故選取離散壁厚尺寸作為設(shè)計(jì)變量［6］，具體數(shù)值如表2所示。為留有一定安全裕度，求解條件為最大等效應(yīng)力 ＜260 MPa(整機(jī)選用Q345鋼，安全系數(shù)取1.3，此安全系數(shù)根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取)，求解目標(biāo)為整機(jī)質(zhì)量最小。

保持3個(gè)設(shè)計(jì)尺寸(上弦桿壁厚、腹桿壁厚、下弦桿壁厚)中的一個(gè)尺寸參數(shù)不變，分析其余兩個(gè)參數(shù)Von Mises應(yīng)力的響應(yīng)［7］。尺寸與狀態(tài)和目標(biāo)參數(shù)響應(yīng)分析的結(jié)果見圖4，5，6。由圖7所示的各參數(shù)對(duì)整機(jī)最大等效應(yīng)力的敏感度可知，下弦桿壁厚對(duì)整機(jī)最大等效應(yīng)力及最大位移最為敏感。

表2 臂架桿件待選壁厚規(guī)格Tab.2 Standard size of a cantilever crane

采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法，優(yōu)化的目標(biāo)按照由高到低的等級(jí)依次為:最大應(yīng)力(＜260 MPa)，整體質(zhì)量和懸臂變形(＜88 mm)。分析得到的優(yōu)化解如表3所示。此3組優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)為系統(tǒng)運(yùn)用設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果擬合得到以供參考［8］，優(yōu)越等級(jí)皆為3星。將3組優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)作為樣本設(shè)計(jì)點(diǎn)帶入程序重新計(jì)算，得到最終帶優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)的各設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

表3 優(yōu)化解Tab.3 Sptimal solutions

優(yōu)化效果對(duì)比，如表4所示。上弦桿壁厚6 mm，腹桿壁厚5 mm，下弦桿壁厚6 mm，最大等效應(yīng)力值224.34 MPa。在靜力分析結(jié)果中可以看出，整機(jī)有較大的剛度及強(qiáng)度盈余，故有較大的優(yōu)化空間;優(yōu)化后主要構(gòu)件尺寸大幅度下降，但都符合整機(jī)強(qiáng)度及剛度要求，整機(jī)質(zhì)量減少24.1%，優(yōu)化效果較為明顯，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目的。由于文中選取的載荷為企業(yè)給定的極限載荷值(已考慮動(dòng)載系數(shù)φ=16 m/s)，且拖船過(guò)程中速度較低，根據(jù)機(jī)械動(dòng)力學(xué)，采用靜力分析所得結(jié)果能夠達(dá)到工作要求。另外，因風(fēng)載荷取為工作港口的最大計(jì)算風(fēng)壓值，故實(shí)際風(fēng)載對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響在容許范圍之內(nèi)。

表4 優(yōu)化效果Tab.4 Optimization effect

4 結(jié)語(yǔ)

首先采用PROE和ANSYS Workbench對(duì)船舶牽引機(jī)械進(jìn)行有限元靜力分析，利用Workbench可協(xié)同建模并重用PROE參數(shù)的特點(diǎn)，使導(dǎo)入模型也能完成 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)，從方法上解決了導(dǎo)入ANSYS的PROE模型不能參數(shù)化的難題。最后利用ANSYS Workbench的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)牽引機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，給出影響牽引機(jī)械剛度、強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度，為設(shè)計(jì)者確定相關(guān)結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺寸提供了依據(jù)。

［1］彭先勇，陸中良，李受人，等.ANSYS Workbench的液壓油缸多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26(4):79-81.PENG Xian-yong，LU Zhong-liang，LI Shou-ren，et al.Analysis and optimization of hydraulic cylinder［J］.Journal of Hubei University of Technology，2011，26(4):79-81.(in Chinese)

［2］鄭夕健，謝正義，張國(guó)忠.基于ANSYS的塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析［J］.建筑機(jī)械，2007(11):76-78.ZHEN Xi-jian，XIE Zheng-yi，ZHANG Guo-zhong.The stability of the tower crane based on ANSYS［J］.Construction Machinery，2007(11):76-78.(in Chinese)

［3］張青，劉青峰，王玉玲，等.基于三維實(shí)體模型的塔式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2006(7):27-29.ZHANG Qing，LIU Qing-feng，WANG Yu-ling，et al.Design of tower crane steel structure based on 3D solid model［J］.Hoisting and Conveying Machinery，2006(7):27-29.(in Chinese)

［4］《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［5］宋偉.大口徑閘閥強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2007:40-45.

［6］楊長(zhǎng)驥.起重機(jī)械［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982:1-11，42-59，371-376.

［7］蒲廣義.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010:65-70，178-193.

［8］寧波，呂志軍，婁文斌.基于 ANSYS Workbench的堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(6):72-73.NING Bo ，LV Zhi-jun ，LOU Wen-bin.Analysis and optimization of stacker structure based on ANSYS workbench［J］.Machinery Design and Manufacture，2012(6):72-73.(in Chinese)