ANSYS在桁架结构门机主梁优化设计中的应用

ANSYS在桁架结构门机主梁优化设计中的应用

AN Y在桁架结构门机主梁优化设计中的应用 S ST e p l aino S t t zn s no anB a i os P ra a e h pi t f A c o AN YSi oOp i i g n mi Dei f i e m J i o t l g M n t Cr n豳武威核工业同心起重设备有限公司张志鑫/HANGZ ii Z hxn摘要：以大型有限元软件A Ys Ns为工具，建立了 0- ml￣起重机桁架主梁的模型， 3t2 ' 4 q分析并计算其强度和挠度：

利用A YS NS软件中的AP L D优化编程与计算，取得主梁最佳结构参数，完成以结构最轻量化为主要目的的优化设计。关键词：起重机 A YS强度挠度 NS有限元法结构优化

以有限元软件ANS为工具，立3 t 2 YS建 0. m起重机 4

3 t4 m桁架起重机主梁横截面为△截面，弦 0一2主

桁架主梁的有限元模型，过载荷步，拟起重机小杆为工字形型钢，杆为角钢，料均为普通碳素钢通模腹材

车沿起重机主梁方向运动时的移动载荷，析并计算 Q25连接形式为焊接，分 3,所有构件均采用可承受拉、 压、起重机主梁的强度和挠度；主梁应力分布情况以及弯、的梁单元 B AN19从扭 E 8单元模拟。最大主应力量值，究起重机主梁结构优化的可能性，探

参照现有的起重机系列设计，架主梁跨中高度h桁

利用ANS结构优化模块对主梁构件的结构参数进行及宽度b YS可在下列范围选取：>11-11),>1 - h (/2/5L b (/ 2 AP优化编程与计算， DL获取主梁最佳结构参数，完成 1 . h/5。 2 )以结构轻量化为主要目标的优化计算。

式中， L为桁架跨度。根据本起重机的跨) 2确￣4 m,定桁架主梁△截面高度为 3 m、度为 1 m。重机主 .宽 0 .起 5梁建模的有关参数如表 1所示。 依据有限元理论和所建立的数学模型，门式起对

1起重机主梁有限元模型 1起重机主梁有限元模型的简化和假设 . 1

R R T管线抹胶实例图片见图3。 ()口， 6对管道对口时要缓慢的插入，当插入的距离大于 9%后，稍微旋转稍微转动管直径的四分之 0可一

,

使其达到插入位置，如果

仍不能完全插入则应用橡

皮锤或者木块均匀的敲击端头使其插入。于大管径对圈2

或长管段承插口应采用拉紧器协助插入。插入时绝对禁

薄抹均匀，同时用力挤压，保证全抹到，第二层涂抹要求止过大转动 (过稍微转动管直径的四分之一)超或者来

均匀，抹的厚度承口为05 .涂 .-0 mm,口为08 l 8插 .￣ mm。结处理的时间严格控制在固化时间之内。

回转动。用水平尺和角尺调整管与管件的水平度和垂直综上所述，通过整个项目工过程中的不断总结，施包括粘接工培训、预制厂预制、现场安装，受到本施工方感法与国内同类的以及我公司施工的内容相比，具有较大的优越性和借鉴性，主要体现在：口机简单实用，坡尤其配合丌尺的使用，能够达到较高的精度，操作性强，适用范

涂抹要迅速，别是现场安装没有遮荫时。将抹胶、特要粘度，达到安装要求。

围不仅可以在预制也可以 在现场安装中使用。收稿日期： 0 90 . 2 0 .51 7通讯地址：吉林省吉林市龙潭区遵义东路3号 1图3

中油吉林化建市场开发部 (3 0 1 12 2 )

篱 t÷ _

90 C M 0 90 MT 2 0 .8

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表1起重机主梁建模参数表

表2有限元模型载荷表起吊载荷N风载荷P 启动或制动时的惯性力F

自重G

重机的主梁进行分析时，对其有限元模型作了相应的简化和如下的假设：

大小方向

3 . f l Onm 85t 5/垂直向下水平均布力 Lsl e,

ma 水平惯性力

mg 垂直向下惯性力

()定材料均匀分布各向同性； 1假 () 2主梁在工作状态时，要受到风力等其它力因素的影响，采用空间梁单元；

力的性质集中力有限元中 F K、F 加载命令 S b a fer n

Ac l 03 7 0 0 e, .2,, Acl 0 98 0 e,, .,

()车所受载荷简化为四个集中力， 3小分别放置于梁进行有限元动态分析， D是 A YS AP L NS一个强大二次小车四个轮子作用点的位置；承点；其质量因素。

开发软件，是用来自动完成有限元常规分析操作或通过设计和自适应网格的主要基础。行有限元分析的标准进

() 4大车下的行走机构等简化

为模型有约束的支参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，是完成优化 () 5主梁上的小车轨道及电动葫芦的轨道只考虑过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果。

1起重机主梁有限元模型与网格化 . 2

22 .起重机小车沿x方向运动时主梁强度和挠度分析有限元的静态线性强度分析是基于线弹性理论

起重机主梁有限元模型简化后的有限元模型如图的。实际的应力分析中，在只要知道了应力状态和屈服

1所示，有单元4 5个， 1 4 5,共 5 5节. 5 6个截面形式共有6准则， 就可以判断是否有塑性形变发生。 nMie Vo s s屈种，单元类型为B AM19模型中的全局坐标系定义：服准则应用最为广泛， E 8。 x其等效应力表达式为： 轴为小车沿主梁运动方向， Y轴铅垂方向，轴为大车运 Z动方向。1

o= (l 0 )+一 (la)】 I[一 (2 G )+— l L 2。 3 3 J

广 1

.

] j

门型起重机主要受到起吊载荷N、风载荷P启动或、屈服面在主应力空间中是一个以o=o=的圆柱 2制动时的惯性力F主梁自重以及起吊装置自重G等力的面，图2、如所示。如果材料的应力状态在圆柱面内材料处作用。 于弹性状态，圆柱面外材料处于塑性状态。在盯G

0 a-o 1 2 3 - _

/

图2主应力空间中的M ee i屈服面 s图1起重机有限元模型图

建立好有限元模型后，设定每增加一时步，车在小

.5运用ANS及其AP语言编程 YS LD N小车车轮的压力 G.一重力 p风载荷 F启动、 -一制动主梁上向前进 02 m,进行受力分析，得到应力、挠度模拟表，形式如表3 uy。 .时惯性力表示垂直向下的位移值， q表示此事时步的最大应力 Ev

2起重机主梁有限元动态分析2 A S S . 1 N Y参数优化设计语￣A D A S S ' P L( N YP rmer s nL n u g ) aa ti Dei a g a e c g

值，=6。 n 18

采用ANS参数优化设计语￣AP对起重机主 YS ' DL2 0。8建设机械技术与管理 91 0 90

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对该起重机主梁，时步 n 1 8,= 6次起重机主梁受力云图如图3图4、所示。

表

4设计变量取值范围分类物理含义风载荷 P0. 2 l . 0<x SO 2

物理含义

范围0. 5 x S0 4 0< 6 . 0 0 7 x, . . 3< O 1

释“ S￣ O

O U

#

l

5a斜杆 1 -0 00< O.24 . 3t 0

5b -斜杆2 O0< 2 1 . .2 x< 02设 -竖 计 5c杆2变量

5e弦杆 -上 00 4<6 .1 5 .0 5 t 0 0 O 0O 7 t O0 8 .0 _, .1<S

0O 3 t O0 4 .0<2 .2 S 00< 3 . .2 x O20. 3 3 . 2 00<tS0 0 4

5f一下弦杆

00< s02 .2 x< .O. 3 8 0. 2 00<t曼 0 4

0.

05 x O 4 S .

0. 7 x5 . 03 _ O 1<

5d杆 1 -竖0 00 5 50. 1 . 4<h< 0 05 0. 7 5 . 8 00<t 0 01

■

. I l

., 5 I

Ⅲ。 m 约束条件目标函数

结构最大应力/ a MP 垂向最大挠度/ m结构总体积.

16 7 00 25 5 ●●

图3最大应力图

很显然，力和许用挠度有较大的裕量。算分析应计结果表明起重机主梁的强度和挠度满足使用要求，但从应力的分布情况分析，应力分布不尽合理，其可运用结构参数优化方法对实际方案作进一步改进设计。

3起重机主梁结构参数优化31设计变量 . ANS程序提供了两种优化的方法，阶方法基 YS一于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精图4最大受力图

确的优化分析。本文主要以杆件的截面尺寸作为设计变量，以结构的重量作为目标函数对结构进行优化。

23在通用后处理器进行分析结果 .结果表明：大挠度的位置坐标是 ( 3 4 4最 2 .9,

起重机的主梁结构为空间桁架结构，本文采用空间 05 63,26 5 )对应的挠度 f一. 7 0;大应梁单元进行模拟，过优化各杆件的截面尺寸而改变各 . 1 7一.6 7, 5 i 00 2 2最= 4通力的位置坐标是 ( 3 9 8 08 6 3,26 4 6, 2 . 8, .5 1 6一.6 9 )应力杆件的强度、 4刚度来实现优化目标的收敛。设计变量各值。 的含义见图5。

依照起重机设计规范，

重机的应许力按第二类起

3约束条件 . 2321应力约束 .. 主梁结构的最大应力必须要小于所用材料的许用应力。

载荷进行强度计算，载荷组合为时，安全系数为1 3起 .; 3重机主梁材料均选用型钢，其屈服度为：

拉许应：] 1 P、用力[::6a弯。享 7 ML 4 2

()、应力： o o] 16 a 1拉弯 I= I[ 1 7 MP

许用挠度：

【] f

00 2 m 5 5

() 2剪应力： l<T]10 a l【。 0 MP = 3 .位移约束 .2 2主梁结构的最大挠度必须小于规定的值。

对数据进行比较可知： 3 MP=o<[] 16 a 15 a c= 7 MP; r00 7 0 m=<『= . 2 m。 . 2 2 f f 00 5 4] 5

9 C T 2 0 .8 2 M M 0 90

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一

表7设计变量优化取值接近的型钢规格表—

一 L—

杆件名称斜杆1I

斜杆2 9×8 O

竖杆2竖杆1弦杆下弦杆 上 10X 0【6[0 /15 2 0 1 1a 3a 2×1 7×8[6【6 /15 4 0 3a 3a 2×1

优化前

1O 0 2×1

X一己

l— x 3—

优化后/10 0 0×1/7 X1 5 0

5 _|

矗b _

表8起重机主梁结构设计优化前后参数对比表千

对比值优化前.

最大应力 MP a 15 312 7

挠度

m

重量 t 2 .7 74 72.5 31 5

2譬 1l l I▲—

00 7 .400 0 .5 7

优化后5f -

jL (

}5e _

图5实际变量说明图L 4 2

5结0 55 . 2m 0

论

经过结构参数优化，重机主梁应力从原来的起

挠度：

f l而 l f

1 5上升到1 2, 3 7而垂直方向的挠度由00 7 m增加到 .4 2

00 0 m, .5 7均满足约束条件。从型钢对比表中可知，弦上 323边界约束 . .杆和下弦杆界面均增大，而其他的杆件界面多有减少，

又称为区间约束，它规定了设计变量的取值范围对于起重机主梁的截面参数，据型钢的尺寸标准来确根定。设计变量取值范围。表4

这是因为主梁上弦杆和下弦杆为主要受力部件。主梁原有重量为 2.7t优化后主梁最终重量为2 . 5。

7 7, 4 31 t同时 5优化后主梁应力分布更加合理，大应力上升2 .%,最 7 4最大挠度上升 64整体重量下降1%。现了以结构 .%, 6实

4起重机主梁结构优化设计结果分析采用有限元分析软件ANS S Y以及 AP,择一阶 DL选

轻量化为主要目标的优化计算。参考文献1须雷.现代起重机的特征和发展趋向[]起重运输机械， J. 19 1) 9 7(O 2陈精一，国忠.蔡电脑辅助工程分析A YS Ns使用指南[ . M】

优化方法，择在应力值最大距梁根部2 .m处的位置选 35加载，进行主梁结构优化设计，过四十六次迭代，通在

三十三步时为满足条件的最优值。优化结果见表5。表5主梁结构优化设计优化结果表设计变量 X1 原有值 mm 1 0 2优化值 mm 12 0

X2 9 07 9

X3 X X5 4 10 1 0 6 0 6 36 7 5 0 3 7

X6 30 030 3

X7 8 58 7

X8 15 215 1

北京：中国铁道出版社， 0 1 2 0 3钟万勰.算杆系结构力学[ .京：利电力出版社，计 M】北水18 92

变化量设计变量

1% l% 3% 6% 4%一O 5 2 3 7 3 1%一.% 8 24%T l T 2 8 T 3 T T 4 5 1 0 7 T 6 75 . 88 . T7 1. 35 1. 54 T8 1 2 1 5

4周廷藩，国贤.扬杆系结构程序设计[ . M】北京：民交通出人版社， 9 0 19

原有值 mm 1 O

1 65 O .

5陈晓霞.ANS S .高级分析[ .京： Y 70 M]北机械工业出版社，2 004

优化值 mm l. 07 9 39 45 . 7 .9 .变化量

一% 2 .% 6% 3% 3%一68 7 12 0 3 O l .%一41 1.% _5 2%

6王金诺.重运输机金属结构[ .起 M】北京：中国铁道出版社，1 84 9

表6优化参数圆正前后对照表设计变量原有值优化取值设计变量

Xl X2 X3 X X5 X X7 X8 4 6 10 9 l0 10 6 3 0 8 1 5 2 0 0 6 3 0 5 2 1 0 7 0 5 7 0 6 3 4 3 0 9 1 5 3 6 5 2T T T 6 7 8

7

起重机设计规范G/ 3 -0 8 B T 8 2 0 1 18杨征等.大型门式起重机结构设计计算[】机械设计与制 J.造， 0 6(2 2 0 1)

T1 T2 T T T 3 4 5

原有值优化取值

l O 1 0

8 l O

1 65 O . 4

l 75 1 . l 0 . 35 2 9 1 6 1 4

收稿日期： 0 90 .6 2 0 .61通讯地址：肃省武威市北关西路1 9 7 3 4 )甘 9号(3 0 020. 0 90 8建设机械技术与管理 9 3

48 75 . .