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基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

  
評(píng)論: 更新日期:2015年04月11日

 本文以16t雙梁橋式起重機(jī)為例,通過有限元軟件ANSYS對(duì)其主梁進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化(Goal Driven Optimization),結(jié)果相較于優(yōu)化前質(zhì)量減輕了24.9%,效果非常顯著,并且針對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行了靜力分析,優(yōu)化結(jié)果可靠可行。本文通過主梁的參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量減輕的目的,對(duì)橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)具有重大意義。
    橋式起重機(jī)已經(jīng)成為了現(xiàn)代化生產(chǎn)中必不可少的一種機(jī)械設(shè)備,除了運(yùn)用方便、效果顯著等原因外,橋式起重機(jī)在安全方面相較于其他設(shè)備同樣有著明顯的優(yōu)勢(shì),例如,在實(shí)際生產(chǎn)中,橋式起重機(jī)能顯著提高生產(chǎn)安全,減小事故發(fā)生率。長(zhǎng)久以來(lái),我國(guó)對(duì)于重型機(jī)械的要求是夠大夠結(jié)實(shí),因此,在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和加工工藝的限制下,我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的橋式起重機(jī)往往都具有過高的安全系數(shù),這樣設(shè)計(jì)雖然安全,但是,正因?yàn)檫^于安全了,我們的設(shè)計(jì)造成許多材料的浪費(fèi)和廢棄。通過大量設(shè)計(jì)和實(shí)例表明,橋式起重機(jī)60%以上的重量是和主梁結(jié)構(gòu)相關(guān)的,因此,主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理,直接關(guān)系到鋼材耗費(fèi)量的多少。采用ANSYS對(duì)起重機(jī)主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅能實(shí)現(xiàn)主梁的形狀優(yōu)化,從而改進(jìn)產(chǎn)品外形,同時(shí)能提高整機(jī)性能,減少制造成本和材料消耗。
    主梁結(jié)構(gòu)分析
   本文在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前,先對(duì)橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行靜力分析,分析的目的是求出主梁的最大應(yīng)力和最大位移,方便后續(xù)的優(yōu)化以及對(duì)比。
    本文的研究對(duì)象是16t雙梁橋式起重機(jī),主梁由上、下蓋板、兩塊腹板以及隔板組成,同時(shí),為了分析更為準(zhǔn)確,本文對(duì)端梁也進(jìn)行了建模。
    1.1 參數(shù)化建模
    優(yōu)化設(shè)計(jì)就是講設(shè)定的參數(shù)不斷優(yōu)化,最終在眾多方案中尋找最佳方案的過程,因此,在建模時(shí),需要實(shí)施參數(shù)化建模。本文采取PROE建模,并且設(shè)定了8個(gè)優(yōu)化參數(shù)。
    1.2 有限元的前處理
    本文選取solid45單元,材料全部采用Q235,材料密度,彈性模量,泊松比。
    網(wǎng)格劃分以四邊形單元為主,同時(shí)在個(gè)別部位采用三角形單元。
    在有限元中,為了確保結(jié)果的正確性,需要依據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型施加約束。對(duì)于本文來(lái)說,分析的是橋式起重機(jī)主梁,約束的對(duì)象就在端梁的支撐面,即端梁大車輪處。需要約束的四個(gè)支撐面,均擁有6個(gè)自由度,即X、Y、Z方向的平移自由度和X、Y、Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度,依據(jù)實(shí)際情況,采取全約束。
    當(dāng)起重機(jī)小車滿載處于主梁跨中位置時(shí),主梁的應(yīng)力和變形是最大的,因此,本文的研究工況為小車滿載處于主梁跨中處。
    1.3 求解
    當(dāng)完成主梁的建模以及選取單元、定義材料屬性、網(wǎng)格劃分、施加約束和施加載荷以后,即可對(duì)主梁進(jìn)行求解,得出主梁的應(yīng)力云圖和位移云圖,如下圖所示:
    優(yōu)化設(shè)計(jì)
     優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程就是分析、評(píng)估、修整的循環(huán)過程,當(dāng)用戶輸入設(shè)計(jì)參數(shù),ANSYS會(huì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析,然后按照用戶要求對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,最后按照算法進(jìn)行修整。循環(huán)過程會(huì)不斷重復(fù),一直到滿足用戶要求打止。
    2.1 設(shè)計(jì)變量
    優(yōu)化設(shè)計(jì)中,對(duì)于變量的數(shù)目需要嚴(yán)格控制,變量過多,所求問題就會(huì)過于復(fù)雜,雖然會(huì)得到很好的優(yōu)化結(jié)果,但是無(wú)形中增大了計(jì)算量和計(jì)算難度,以至于得不償失。因此,在確定變量數(shù)目前,需要對(duì)研究的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)分析,對(duì)于設(shè)計(jì)中幾乎沒有影響甚至是完全沒有影響的參數(shù)可以進(jìn)行忽略,或者以作為給定條件或轉(zhuǎn)化成約束條件的方式來(lái)進(jìn)行處理,盡量減少設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù),以達(dá)到控制變量個(gè)數(shù)的目的。本文設(shè)計(jì)了8個(gè)變量,如表2.1所示:
    表2.1 設(shè)計(jì)變量表
    Table2.1 Design variables table
 

優(yōu)化變量的名稱 對(duì)應(yīng)Workbench的名稱
主梁上蓋板寬度  
主梁上蓋板厚度  
端梁高度  
主梁腹板高度  
主梁下蓋板厚度  
主梁腹板厚度  
端梁內(nèi)壁間距  
端梁蓋板長(zhǎng)度  
 

    本文對(duì)16t雙梁橋式起重機(jī)的主梁進(jìn)行了參數(shù)化建模,然后通過無(wú)縫連接導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行了靜力分析,得出結(jié)構(gòu)符合要求的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上,對(duì)主梁進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化得出81組優(yōu)化數(shù)據(jù),經(jīng)過篩選得出最優(yōu)解,相比優(yōu)化前減輕了24.9%,并且進(jìn)行了優(yōu)化后的應(yīng)力、位移的云圖對(duì)比,得出優(yōu)化滿足要求的結(jié)果。本文結(jié)論為橋式起重機(jī)主梁的設(shè)計(jì)和改善提供了有益的指導(dǎo),具有一定的參考價(jià)值。

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