郭紀(jì)斌+張春蘭+李青云

摘要：以T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂為研究對象，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(shù)化技術(shù)對平衡臂結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行參數(shù)化建模，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后得到平衡臂主體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)截面尺寸，結(jié)果表明平衡臂整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)方案要求，參數(shù)化設(shè)計(jì)能提高工程機(jī)械的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：超大型平頭塔式起重機(jī)；平衡臂；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元

中圖分類號：TH2文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在塔式起重機(jī)關(guān)鍵組成部件的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及有限元分析技術(shù)的引進(jìn)使用，使得塔機(jī)產(chǎn)品使用起來更加安全和高效。超大型平頭塔式起重機(jī)作為塔機(jī)發(fā)展的方向，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況多樣，僅僅對其進(jìn)行整體的綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)是不夠的，更應(yīng)該關(guān)注其細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，關(guān)注計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)作為研究對象，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)對平衡臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析，使用APDL算法完成平衡臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降本增效的目的。

2Ansys有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的有關(guān)概念121設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)方案完成后，其中的設(shè)計(jì)元素可以用一組基本參數(shù)數(shù)值來表示，這一組參數(shù)數(shù)值就是所謂的設(shè)計(jì)變量。

22目標(biāo)函數(shù)

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以利用一些設(shè)計(jì)指標(biāo)衡量一項(xiàng)設(shè)計(jì)方案的好壞，通過把設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)化得到相關(guān)函數(shù)來表示這些指標(biāo)，這些相關(guān)函數(shù)即是優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。

計(jì)算技術(shù)與自動化2017年6月第36卷第2期郭紀(jì)斌等：基于Ansys的超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計(jì)23約束性條件

所謂約束性條件是在對與目標(biāo)函數(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行取值時(shí)加入的限制性條件。約束類型按照目標(biāo)函數(shù)中設(shè)計(jì)變量的不同性質(zhì)可分為邊界性約束和性能性約束。

24合理性設(shè)計(jì)

所謂合理性設(shè)計(jì)是指滿足設(shè)計(jì)方案所有給定約束條件（包括設(shè)計(jì)變量的約束和狀態(tài)變量的約束）的設(shè)計(jì)。倘若給定約束條件中的任一條未滿足，該設(shè)計(jì)就被認(rèn)為是不合理的。而最優(yōu)設(shè)計(jì)就是既能滿足所有約束條件同時(shí)目標(biāo)函數(shù)值又是最小的設(shè)計(jì)。

3超大型平頭塔機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟

在Ansys軟件中可以用兩種方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：圖形交互式或者數(shù)據(jù)批處理來完成。在本論文中，選用數(shù)據(jù)批處理方式來進(jìn)行平衡臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

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

31分析文件的生成1311參數(shù)化建立模型通過Ansys軟件/PREP7命令把設(shè)計(jì)方案中的設(shè)計(jì)變量參數(shù)化建立數(shù)據(jù)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(jī)平衡臂，設(shè)計(jì)變量是拉桿和臂架弦桿的尺寸，如表1所示。

表1設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)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(jì)算求解

Ansys中的求解器主要是對分析類型和分析選項(xiàng)在優(yōu)化過程中進(jìn)行定義，并完成載荷的施加，及對載荷步的指定，最后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，同時(shí)在分析過程中需要的數(shù)據(jù)都要在計(jì)算求解過程中指出。

在本論文平衡臂的優(yōu)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(shù)化分析結(jié)果

對分析結(jié)果進(jìn)行提取并給相應(yīng)的參數(shù)賦值，這些參數(shù)通常情況下包括目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量。完成本步操作使用POST1命令，尤其是與數(shù)據(jù)的存儲、加減或者其他操作相關(guān)時(shí)，而對數(shù)據(jù)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(shè)置平衡臂總重量為目標(biāo)函數(shù)。因?yàn)橹亓亢腕w積成比例關(guān)系，對產(chǎn)品總體積的減小就相當(dāng)于總重量的減少，因此把總體積設(shè)計(jì)為目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化研究中，把軸向應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移設(shè)置為狀態(tài)變量。這些參數(shù)的設(shè)定可以用下面的方法進(jìn)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(jì)算結(jié)果優(yōu)化分析

建立完成分析文件之后，就可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析。在優(yōu)化處理器中，這些相關(guān)參數(shù)的值被假定為一個(gè)設(shè)計(jì)序列，所有參數(shù)會在Ansys數(shù)據(jù)庫中被自動設(shè)置為設(shè)計(jì)序列1。

4超大型平頭塔機(jī)平衡臂優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

通過10次迭代計(jì)算完成對模型參數(shù)的優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量的變化如圖1—圖3所示。

圖1設(shè)計(jì)變量X1優(yōu)化示意圖圖2設(shè)計(jì)變量X2優(yōu)化示意圖圖3設(shè)計(jì)變量X3優(yōu)化示意圖通過上面的優(yōu)化示意圖可以看出，三個(gè)設(shè)計(jì)變量都是平衡臂主結(jié)構(gòu)件的截面尺寸，經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，截面尺寸都得以減小，而與其相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)（平衡臂總體積）有總體減小的趨勢。

在優(yōu)化計(jì)算時(shí)不僅要減少平衡臂體積，同時(shí)其結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)要求也要滿足，所以本研究增設(shè)狀態(tài)變量1（平衡臂端部位移）和狀態(tài)變量2（截面危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值）為研究對象，其優(yōu)化過程如圖4—圖5所示。

圖4狀態(tài)變量1優(yōu)化示意圖圖5狀態(tài)變量2優(yōu)化示意圖從兩個(gè)狀態(tài)變量的優(yōu)化過程可以看出，在經(jīng)過多次迭代優(yōu)化后各狀態(tài)變量值變量均在設(shè)定值范圍內(nèi)變化，變化非常小。

目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解在Ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)過程可以自動選出，在本論文中得出的最優(yōu)解見表2。

由優(yōu)化計(jì)算結(jié)果可以看出，平衡臂總質(zhì)量由18.87噸優(yōu)化到了17.13噸，減少了1.74噸，減重百分比為9.22%。與初始設(shè)計(jì)方案相對比，優(yōu)化后主體結(jié)構(gòu)件截面尺寸減小，從而降低了平衡臂總質(zhì)量，達(dá)到了減輕平衡臂總重量的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過對優(yōu)化模型有限元分析結(jié)果的檢查，其結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求，如表2所示。

本論文選用Ansys一階優(yōu)化方法對以平衡臂總質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)的方案進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，優(yōu)化后平衡臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度均在設(shè)計(jì)允許值范圍內(nèi)。通過定義主要結(jié)構(gòu)件尺寸的優(yōu)化，平衡臂總重量減少1.74噸，降幅9.22%。

5結(jié)論

本論文以T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)為研究對象，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，使用主流有限元分析軟件Ansys完成對平衡臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，其過程主要如下。

（1）建立T3000160塔機(jī)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(jié)構(gòu)、重量等參數(shù)的設(shè)置符合實(shí)際情況。

（2）各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)方案要求。通過優(yōu)化分析，得到平衡臂主體結(jié)構(gòu)件的最優(yōu)截面尺寸，同時(shí)有限元分析結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)方案需求。

（3）本論文選取T3000160超大型平頭塔式起重機(jī)的平衡臂進(jìn)行有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，為超大型平頭塔式起重機(jī)平衡臂及其他相關(guān)部件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)提供一個(gè)理論性的支撐，同時(shí)提高工程機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)法在起重機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

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