王淞

（上海海事大學 臨港校區(qū)，上海201306）

0 引言

支撐筒作為大型鋼結(jié)構(gòu)頂升裝備中的重要支撐結(jié)構(gòu)，其強度、剛度和穩(wěn)定性對頂升設備的頂升性能和安全性有著重大影響。目前，在地面觀測衛(wèi)星、地上建筑物夾持及頂升、海洋石油平臺模塊的移動和建造過程中，均有通過支撐筒與夾持機構(gòu)的互相配合從而實現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)的頂升過程[1-3]。在保證最大有效應力的前提下，支撐筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計不僅能夠減少建造材料、節(jié)約空間體積，同時還能對支撐筒的尺寸進行修改，使其長寬尺寸達到與所持建筑物相對應的比例。任開鋒等[4]對衛(wèi)星艙外的復合材料支撐筒進行了驗證，通過有限元分析，得到了支撐筒的合理尺寸，滿足了設計試驗的指標要求，但并沒有對支撐筒進行優(yōu)化；鄔錢涌等[5]對岸邊集裝箱起重機結(jié)構(gòu)的輕量化進行了研究，在保證強度和剛度滿足要求的前提下，利用ANSYS軟件使質(zhì)量減小了3.56%，但計算過程較為復雜，且迭代次數(shù)較多，計算效率較低；張衛(wèi)東等[6]針對超高層建筑全鋼結(jié)構(gòu)用的支撐筒進行了性能分析，包括結(jié)構(gòu)布置、抗震性能指標、風載等因素，計算結(jié)果表明，傳統(tǒng)的支撐筒布置結(jié)構(gòu)能夠滿足各項要求。同時提出一些構(gòu)造加強的措施供工程參考；包聯(lián)進等[7]對天津高銀117大廈的巨型支撐結(jié)構(gòu)體系進行了分析和優(yōu)化設計，利用縮尺實驗，優(yōu)化解決了此巨型支撐系統(tǒng)在罕遇地震情況下的失穩(wěn)問題，具有較大的參考價值。但需要反復進行荷載實驗，成本較高且周期過長。A. I. Borovkov等[8]基于ANSYS APDL參數(shù)化語言，結(jié)合Free Pascal代碼開發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子及散熱器的參數(shù)化建模與分析。目前雖然已經(jīng)解決了支撐筒的強度和剛度要求，但在整體結(jié)構(gòu)輕量化方面仍有改善的空間。

對此，提出利用ANSYS軟件中的APDL參數(shù)化有限元分析模塊[9]，采用零階優(yōu)化方法中的隨機優(yōu)化方法對支撐筒整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，首先分析了夾持工況和頂升工況時的等效應力，其次以最大等效應力為狀態(tài)變量，以最小體積為目標，進行優(yōu)化設計[10]，進而得到收斂曲線和變化曲線；最后，將優(yōu)化后的結(jié)果與未優(yōu)化的結(jié)果進行對比，得出優(yōu)化的有效性。

1 支撐筒結(jié)構(gòu)

支撐筒結(jié)構(gòu)的設計與所要夾持和頂升的鋼結(jié)構(gòu)相關，同時，也與周圍環(huán)境和負載等有很大的關系[11]。本文設計的頂升裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置采用作用力面接觸，相對于線接觸，能夠提供更大的作用力接觸面積，可減小變形和提升穩(wěn)定性。目前應用較為廣泛。 同時，該結(jié)構(gòu)增大了銷的直徑，能夠有效提高支撐筒整體的斷裂性能。

圖1 頂升裝置原理圖

如圖1所示，當裝置提升大型鋼結(jié)構(gòu)時，兩液壓油缸夾持收縮，帶動2塊鋼板松開對支撐筒的夾持。頂升油缸伸長，將支撐筒頂起，直到下一個支撐筒的插板槽與兩夾持鋼板的高度相同時停止頂升，兩夾持油缸帶動夾持板深入到支撐筒的插板槽中夾持住支撐筒。頂升油缸收縮，待頂升油缸收縮到能在頂升油缸上再放入一個支撐筒時停止收縮并在頂升油缸上再放置一個支撐筒。不斷重復以上過程，即可實現(xiàn)對大型鋼結(jié)構(gòu)的頂升[12]。

2 支撐筒初始強度分析

根據(jù)以上夾持機構(gòu)的工作流程可知，支撐筒有2種工況：夾持工況和頂升工況。在實驗中，本文選取支撐筒支撐的質(zhì)量為120 t，下面對兩種工況下支撐筒的強度進行分析。

支撐筒結(jié)構(gòu)及部分尺寸如圖2所示。

圖2 支撐筒的結(jié)構(gòu)及關鍵尺寸

根據(jù)工程經(jīng)驗[13]，設計了支撐筒的初始結(jié)構(gòu)尺寸，如表1所示。

表1 支撐筒初始結(jié)構(gòu)尺寸 mm

根據(jù)以上支撐筒初始設計尺寸，對支撐筒進行強度分析，夾持工況下支撐筒的應力和應變分布圖如圖3所示；頂升工況下支撐筒的應力和應變分布圖如圖4所示。

圖3 夾持工況下應力和應變分布圖

由圖3、圖4可以分別得到夾持和頂升狀態(tài)下的最大等效應力，同時利用ANSYS體積模塊計算出此時支撐筒的體積為4 207 888.16 mm3，結(jié)果如表2所示。

表2 支撐筒初始分析結(jié)果

圖4 頂升工況下應力應變分布圖

根據(jù)以上ANSYS分析結(jié)果可知，夾持工況時支撐筒的最大等效應力為27.79 MPa，頂升工況時支撐筒的最大等效應力為144.712 MPa，可以看出夾持工況時的最大等效應力要遠小于頂升工況時的最大等效應力，因此在優(yōu)化分析時只需考慮頂升工況時的最大應力應小于材料許用應力與安全系數(shù)的乘積即可。

3 支撐筒優(yōu)化設計

3.1 變量選取

選取支撐筒的內(nèi)徑D2、高度a及插板槽距下表面距離c在內(nèi)的主要尺寸作為設計變量，各尺寸的初值和取值范圍如表3所示。

表3 變量取值及范圍 mm

選取頂升工況中的最大等效應力MAXSEQV為狀態(tài)變量，根據(jù)最大等效應力應小于材料許用應力與安全系數(shù)的乘積，可知MAXSEQV應滿足約束條件：

3.2 建立目標函數(shù)

本次優(yōu)化的目的是使支撐筒在滿足一定強度條件下具有較小的質(zhì)量，因此應以支撐筒的質(zhì)量作為目標函數(shù)，又考慮到支撐筒的質(zhì)量與其體積成正比（假設支撐筒密度均勻），由于支撐筒的體積更容易測量，因此最終選擇支撐筒的體積作為本次優(yōu)化的目標函數(shù)。其數(shù)學模型為：

式中：X1、X2、X3分別為支撐筒變量中的支撐筒內(nèi)徑D2、支撐筒高度a及插板槽距下表面距離c；fn(X)為支撐筒的總體積，也即目標函數(shù)；fσ為支撐筒的應力，滿足不超過支撐筒材料的屈服極限和安全系數(shù)的乘積；fε為支撐筒的變形，查標準手冊[13]可知，該值不超過0.20 mm。

由于采用ANSYS一階優(yōu)化方法時，計算結(jié)果容易發(fā)散，不利于產(chǎn)生穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，而ANSYS零階優(yōu)化方法通常收斂的速度較快，其計算精度雖然沒有一階優(yōu)化方法的高，但也能夠滿足工程需要，因此本節(jié)關于支撐筒的優(yōu)化設計部分采用了零階優(yōu)化方法中的隨機優(yōu)化方法。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

利用ANSYS APDL有限元分析模塊對該支撐筒結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行優(yōu)化設計，編寫優(yōu)化程序并運行后，通過APDL輸出窗口可以看出程序經(jīng)過9次迭代后，得到了最優(yōu)化結(jié)果，且第8次優(yōu)化后的結(jié)果為此次支撐筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最優(yōu)設計結(jié)果。支撐筒的體積即目標函數(shù)隨迭代次數(shù)的收斂情況如圖5所示，3個設計變量隨迭代次數(shù)的變化情況如圖6所示，優(yōu)化后支撐筒的結(jié)構(gòu)尺寸如表4所示。

圖5 目標函數(shù)收斂曲線

圖6 設計變量變化曲線

表4 優(yōu)化后支撐筒尺寸 mm

4 結(jié)果分析

對支撐筒優(yōu)化后的尺寸進行圓整，得到優(yōu)化前后尺寸對比，如表5所示。

表5 優(yōu)化前后尺寸對比 mm

根據(jù)圓整后的支撐筒尺寸對支撐筒再次進行2種工況下的強度、剛度分析。優(yōu)化后夾持工況下的支撐筒應力應變分布圖如圖7所示。優(yōu)化后頂升工況下的支撐筒應力應變分布圖如圖8所示。

圖7 優(yōu)化后夾持工況應力應變分布圖

圖8 優(yōu)化后頂升工況應力應變分布圖

由此可以得到優(yōu)化后夾持和頂升狀態(tài)下支撐筒的最大等效應力（如表6），同時計算出此時支撐筒的體積為2 841 561.28 mm3。

表6 支撐筒優(yōu)化分析結(jié)果

根據(jù)支撐筒優(yōu)化后分析結(jié)果（如表6）和支撐筒優(yōu)化前分析結(jié)果（如表2）可知，在同樣滿足兩種工況要求的條件下，優(yōu)化后相較于優(yōu)化前體積減小了（4027888.16-2841561.28）÷4027888.16=29.45%。

5 結(jié)論

本文通過建立一種夾持機構(gòu)的模型，分析型鋼結(jié)構(gòu)模塊頂升裝置中的支撐筒部分，利用ANSYS APDL參數(shù)化有限元分析模塊，采用零階優(yōu)化方法中的隨機優(yōu)化方法，通過對比分析，在滿足夾持和頂升兩種工況等效應力的情況下，迭代8次后取得了最優(yōu)的設計結(jié)果，優(yōu)化后支撐筒的體積比優(yōu)化前相對減小了29.45%，得到了更為合理的結(jié)構(gòu)尺寸。利用這種方法能夠大大減少支撐筒及整個頂升裝置的質(zhì)量和材料用量，對大型結(jié)構(gòu)物頂升過程中的裝置設計方案具有重要的參考作用，同時對于其他領域的支撐筒設計也具有一定的借鑒意義。