趙 含

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

基于AnsysWorkbench歐式起重機(jī)端梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

趙 含

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

通過Pro/E軟件對歐式起重機(jī)端梁進(jìn)行三維建模，利用有限元軟件AnsysWorkbench對歐式起重機(jī)端梁進(jìn)行剛強(qiáng)度分析。根據(jù)計算結(jié)果利用AnsysWorkbench的優(yōu)化模塊對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為類似端梁的設(shè)計計算提供了參考。

歐式起重機(jī)端梁； 有限元； 設(shè)計優(yōu)化； AnsysWorkbench

0 引言

歐式起重機(jī)以其設(shè)計理念獨特，具有自重輕，能耗低，結(jié)構(gòu)小巧的特點。因此，采用歐式天車的鋁電解廠房在設(shè)計上可以大大節(jié)約新廠房的空間，在廠房初期建設(shè)的時候，投入的初期建設(shè)投資可以降低，而且在空調(diào)、長期供熱及一些其他維護(hù)費用上也可以節(jié)省大量的資金，起到為鋁廠節(jié)能降耗的目的。

歐式起重機(jī)端梁作為歐式起重機(jī)主要的承載部件，對其剛強(qiáng)度都有較高要求。本文利用有限元分析軟件AnsysWorkbench對其進(jìn)行剛強(qiáng)度進(jìn)行核算與優(yōu)化，分析了其變形與應(yīng)力的分布規(guī)律，為類似端梁的設(shè)計計算以及其它起重機(jī)結(jié)構(gòu)改造等提供了參考。

1 有限元分析基礎(chǔ)理論

每一種自然現(xiàn)象都是能夠用相應(yīng)的物理定律解釋的，這些物理定律的表現(xiàn)形式往往是些方程。這些方程通常稱為控制方程。計算機(jī)問世以后有限元方法迅速發(fā)展成長起來，它是一種非常強(qiáng)大的分析方法。在工程實際當(dāng)中，根據(jù)相應(yīng)的運動機(jī)理或者連接形式想要推導(dǎo)出方程中并不是一個很困難的工作，但是要獲得問題的解析的數(shù)學(xué)解卻是一個非常困難和復(fù)雜的過程。工程師們的解決方案多采用數(shù)值方法給出近似的滿足工程精度要求。有限元分析方法就是一種十分廣泛運用的數(shù)值分析方法。

有限元方法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法，其基礎(chǔ)是離散化，即將模型離散成N個小結(jié)構(gòu)。這種思想自古已經(jīng)存在。齊諾(Zeno公元前5世紀(jì)前后古希臘埃利亞學(xué)派哲學(xué)家)曾說過：空間是有限的和無限可分的。因此可以得知，事物的存在一定有大小之分。計算圓的周長或面積時，古人就采用了這種離散化的逼近的方法。因此，有限元分析法是一種有歷史依據(jù)，高效快速，而且越來越受到很大關(guān)注度的分析方法。

2 歐式起重機(jī)端梁的基本參數(shù)

歐式起重機(jī)端梁，其主要設(shè)計參數(shù)為：

蓋板和腹板材料 Q345

彈性模量2.06×1011Pa

密度7850 kg/m3

筋板 材料Q345

彈性模量2.01×1011Pa

密度7800 kg/m3[2]

歐式起重機(jī)端梁總長：5.8 m，上下蓋板厚度16 mm，腹板厚度10 mm；出鋁小車輪距為5200 mm，兩個車輪輪壓分別為501.5 kN和415.6 kN。

3 歐式起重機(jī)端梁有限元分析

3.1 歐式起重機(jī)端梁有限元模型的建立

按照設(shè)計圖紙尺寸將用Pro/E軟件建立的歐式起重機(jī)端梁的三維實體模型，通過Pro/E與ANSYS Workbench之間的無縫連接導(dǎo)入。采用Solid187單元，Solid187由10個節(jié)點定義，每個節(jié)點3個自由度：x,y,z三個方向。該單元具有空間的任何方向，有塑性，超彈性，應(yīng)力強(qiáng)化，蠕變，大變形，大應(yīng)變能力。所以Solid187單元可以滿足歐式起重機(jī)端梁的計算要求。

最終歐式起重機(jī)端梁的網(wǎng)格模型節(jié)點數(shù)為46035，單元數(shù)為6408，見圖1。

圖1 歐式起重機(jī)端梁有限元模型

3.2 歐式起重機(jī)端梁邊界條件

3.2.1 約束施加方式

考慮實際端梁結(jié)構(gòu)形式，對端梁車輪位置施加遠(yuǎn)端約束，端梁的一端僅釋放在垂直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度(本模型為RotZ)；另一端釋放垂直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和沿端梁長度方向移動這2個自由度(本模型為RotZ和UX)。

圖3 端梁的撓度變形云圖與變化曲線

3.2.2 載荷施加方式

歐式起重機(jī)端梁承受幾乎整個起重機(jī)及其額定吊重重量，由于端梁自重較其承受的載荷相差很大，本例直接取起重機(jī)最大輪壓值作為相應(yīng)端梁的載荷進(jìn)行計算，載荷分別為F1=501.5 kN和F2=415.6 kN，見圖2。

圖2 歐式起重機(jī)端梁的邊界條件加載圖

3.3 結(jié)果及分析

3.3.1 歐式起重機(jī)端梁的靜剛度校核

根據(jù)計算，端梁的受載后的變形情況及長度方向各位置變形位移值見圖3。其中，最大變形為4.79 mm，位于端梁的中部。

3.3.2 歐式起重機(jī)端梁的靜強(qiáng)度校核

由圖4可知筒體吊裝工具的應(yīng)力最大位置為墊板與端梁上蓋板連接處，最大應(yīng)力為148.26 MPa，由于墊板與端梁上蓋板是螺栓把合的連接，為了方便模擬現(xiàn)將其按綁定處理，所以邊角處的應(yīng)力值大屬于應(yīng)力奇異現(xiàn)象，根據(jù)圣維南定理可去除應(yīng)力奇異部位的影響區(qū)。提取端梁上蓋板中部的應(yīng)力分布曲線可知，應(yīng)力最大值為80.78 MPa。

圖4 端梁的強(qiáng)度云圖與變化曲線

根據(jù)上述對端梁的靜力學(xué)分析，該端梁在撓度方面有可改善提高之處。下面將通過AnsysWorkbench中Response Surface進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化設(shè)計的介紹

隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中越來越受重視與推崇，并且使用的方法和途徑日趨增多。AnsysWorkbench下集成的DesignXplorer模塊為優(yōu)化設(shè)計提供了一個接近于完美的方案，其易用性也較傳統(tǒng)的Ansys軟件增強(qiáng)了很多。在CAD中建立的模型需改進(jìn)的設(shè)計變量和對其變量進(jìn)行參數(shù)化，傳遞到AnsysWorkbench當(dāng)中，在DesignXplorer下設(shè)定好約束條件及設(shè)計目標(biāo)后，可以對設(shè)定的變量進(jìn)行逐一計算并返回相關(guān)圖表。

4.2 歐式起重機(jī)端梁優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述計算，若按照GB/T3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》剛度的最高要求，高定位精度要求下?lián)狭啃∮诳缍?1000來判定端梁剛度，其完全滿足條件。然而，起重機(jī)的使用要求最多只需要中等定位精度。因此，該端梁結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于所需。本文采取對端梁的上蓋板優(yōu)化，對上蓋板數(shù)值在Pro/E中進(jìn)行參數(shù)化，導(dǎo)入到AnsysWorkbench中進(jìn)行Response Surface優(yōu)化，設(shè)置上蓋板厚度變化范圍12～20 mm，并計算其撓度值，見圖5。

圖5 優(yōu)化設(shè)計點和與其對應(yīng)厚度值

由圖6上蓋板厚度值與撓度值變化曲線可知，上蓋板厚度最小值為為12 mm時，上蓋板撓度值為5.14 mm，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求。

圖6 上蓋板厚度值與撓度值變化曲線

Design Explorer是ANSYS Workbench集成的一個產(chǎn)品性能快速優(yōu)化工具。它主要是對產(chǎn)品中相對主要的參數(shù)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并提供一系列解決方案，從而能夠使設(shè)計者了解這些參數(shù)的敏感性，在提高產(chǎn)品的可靠性和降低生產(chǎn)成本間為設(shè)計者找到個突破口。在Workbench中所有這些任務(wù)都是利用Response Surface完成的。因此運用該設(shè)計工具對歐式起重機(jī)端梁進(jìn)行優(yōu)化，對該結(jié)構(gòu)降低成品，提高生產(chǎn)效率有著重要的作用。

5 分析結(jié)論

(1)由以上強(qiáng)度變形云圖可知，最大應(yīng)力為148.26 MPa，位于墊板與端梁邊角接觸的位置，此位置考慮應(yīng)力奇異現(xiàn)象，根據(jù)圣維南定理去除應(yīng)力奇異部位的影響區(qū)，提取端梁上蓋板中部的應(yīng)力分布曲線可知，應(yīng)力最大值為80.788 MPa，取安全系數(shù)1.5，動載荷系數(shù)1.25，345 MPa/1.25/1.5=184 MPa>80.788 MPa，因此該端梁強(qiáng)度滿足要求。

(2)由結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果上蓋板厚度值與撓度值變化曲線可知，當(dāng)上蓋板厚度為12 mm時，最大的下?lián)狭繛?.14 mm，位于端量的中部，參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017—2003[3]和《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》GB/T3811—2008[4]歐式起重機(jī)端梁的剛度均滿足要求，建議采用厚度為12 mm上蓋板，在能夠保證剛度并滿足一定約束條件的前提下，降低了生產(chǎn)成本。

(3)本文中未考慮材料本身缺陷、焊接變形和質(zhì)量問題等意外情況，若需考慮，建議最終取值根據(jù)上述計算結(jié)果適當(dāng)增大。

[1] 李強(qiáng)，高耀東.有限元技術(shù)的發(fā)展及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用[J].數(shù)字制造科學(xué)，2003，(1):1-4.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊(第三版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3] GB/T3811—2008，起重機(jī)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

Structure Optimization of End Beam of the European Crane Based on ANSYS Workbench

ZHAO Han

The paper makes modeling three-dimensional to the end beam of European crane by Pro/E software, analyses the stress and displacement of the European crane beam by the finite element software ANSYS Workbench, optimizes its structure by using ANSYS workbench according to the calculated results, which can be a reference to design and calculation of the similar racks.

the European crane beam； finite element； design optimization； ANSYS workbench

2014-12-10

趙 含(1973-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事設(shè)計研發(fā)工作。

TP391

B

1003-8884(2015)01-0035-04