本文以16t雙梁橋式起重機為例,通過有限元軟件ANSYS對其主梁進行目標驅(qū)動優(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,并且針對優(yōu)化前后進行了靜力分析,優(yōu)化結(jié)果可靠可行。本文通過主梁的參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了質(zhì)量減輕的目的,對橋式起重機的設(shè)計具有重大意義。
橋式起重機已經(jīng)成為了現(xiàn)代化生產(chǎn)中必不可少的一種機械設(shè)備,除了運用方便、效果顯著等原因外,橋式起重機在安全方面相較于其他設(shè)備同樣有著明顯的優(yōu)勢,例如,在實際生產(chǎn)中,橋式起重機能顯著提高生產(chǎn)安全,減小事故發(fā)生率。長久以來,我國對于重型機械的要求是夠大夠結(jié)實,因此,在傳統(tǒng)的設(shè)計方法和加工工藝的限制下,我們設(shè)計出來的橋式起重機往往都具有過高的安全系數(shù),這樣設(shè)計雖然安全,但是,正因為過于安全了,我們的設(shè)計造成許多材料的浪費和廢棄。通過大量設(shè)計和實例表明,橋式起重機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)計是否合理,直接關(guān)系到鋼材耗費量的多少。采用ANSYS對起重機主梁進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,不僅能實現(xiàn)主梁的形狀優(yōu)化,從而改進產(chǎn)品外形,同時能提高整機性能,減少制造成本和材料消耗。
主梁結(jié)構(gòu)分析
本文在進行優(yōu)化設(shè)計前,先對橋式起重機主梁進行靜力分析,分析的目的是求出主梁的最大應力和最大位移,方便后續(xù)的優(yōu)化以及對比。
本文的研究對象是16t雙梁橋式起重機,主梁由上、下蓋板、兩塊腹板以及隔板組成,同時,為了分析更為準確,本文對端梁也進行了建模。
1.1 參數(shù)化建模
優(yōu)化設(shè)計就是講設(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,需要實施參數(shù)化建模。本文采取PROE建模,并且設(shè)定了8個優(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,同時在個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)實際情況對模型施加約束。對于本文來說,分析的是橋式起重機主梁,約束的對象就在端梁的支撐面,即端梁大車輪處。需要約束的四個支撐面,均擁有6個自由度,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)實際情況,采取全約束。
當起重機小車滿載處于主梁跨中位置時,主梁的應力和變形是最大的,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,即可對主梁進行求解,得出主梁的應力云圖和位移云圖,如下圖所示:
優(yōu)化設(shè)計
優(yōu)化設(shè)計的過程就是分析、評估、修整的循環(huán)過程,當用戶輸入設(shè)計參數(shù),ANSYS會對參數(shù)進行分析,然后按照用戶要求對分析結(jié)果進行評估,最后按照算法進行修整。循環(huán)過程會不斷重復,一直到滿足用戶要求打止。
2.1 設(shè)計變量
優(yōu)化設(shè)計中,對于變量的數(shù)目需要嚴格控制,變量過多,所求問題就會過于復雜,雖然會得到很好的優(yōu)化結(jié)果,但是無形中增大了計算量和計算難度,以至于得不償失。因此,在確定變量數(shù)目前,需要對研究的結(jié)構(gòu)進行仔細分析,對于設(shè)計中幾乎沒有影響甚至是完全沒有影響的參數(shù)可以進行忽略,或者以作為給定條件或轉(zhuǎn)化成約束條件的方式來進行處理,盡量減少設(shè)計變量的個數(shù),以達到控制變量個數(shù)的目的。本文設(shè)計了8個變量,如表2.1所示:
表2.1 設(shè)計變量表
Table2.1 Design variables table
優(yōu)化變量的名稱 | 對應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 | |
端梁蓋板長度 |
本文對16t雙梁橋式起重機的主梁進行了參數(shù)化建模,然后通過無縫連接導入ANSYS Workbench進行了靜力分析,得出結(jié)構(gòu)符合要求的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上,對主梁進行了優(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%,并且進行了優(yōu)化后的應力、位移的云圖對比,得出優(yōu)化滿足要求的結(jié)果。本文結(jié)論為橋式起重機主梁的設(shè)計和改善提供了有益的指導,具有一定的參考價值。