基于ANSYS 的施工升降機(jī)安全鉗楔塊分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

張玲玲，秦小嶼

(西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都610039)

0 引 言

優(yōu)化設(shè)計(jì)是隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的廣泛使用而發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，是綜合應(yīng)用最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一門新的學(xué)科。在解決復(fù)雜的工程及產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，使工程師能夠從眾多的設(shè)計(jì)方案中找到最合理的或最適宜的設(shè)計(jì)方案。目前優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、電子電氣、化工、石油、冶金、紡織、航空航天、航海及道路交通等工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，取得了很好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效果。

安全鉗是施工升降機(jī)重要的安全裝置，是升降機(jī)安全運(yùn)行的保障，一般安裝在吊籠架或?qū)χ丶苌稀０踩Q的主要作用是當(dāng)升降機(jī)發(fā)生超速斷繩故障或墜落速度達(dá)到限速器動(dòng)作速度時(shí)，由限速器操縱安全鉗將吊籠緊急制停并夾持在導(dǎo)軌上的一種安全裝置，從而防止事故的發(fā)生。從安全鉗的重要性可以看出，安全鉗的研究不會(huì)停止，在未來(lái)的時(shí)間里，將會(huì)對(duì)安全鉗的性能提高上做進(jìn)一步研究探索。安全鉗主要存在的問(wèn)題是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用安全鉗裝置會(huì)因?yàn)槟p、銹蝕、疲勞等引起參數(shù)改變或功能減弱甚至喪失。按照制動(dòng)元件結(jié)構(gòu)形式的不同，安全鉗可分為楔塊型、偏心輪型和滾柱型三種，按制動(dòng)距離的不同有瞬時(shí)式和漸進(jìn)式兩種。本文主要對(duì)楔塊型瞬時(shí)安全鉗楔塊進(jìn)行靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。得出楔塊制動(dòng)時(shí)的應(yīng)力分布，為安裝鉗楔塊的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能

ANSYS 提供的優(yōu)化方法主要有兩種:零階方法和一階方法，絕大多數(shù)優(yōu)化問(wèn)題都可以用這兩種方法來(lái)處理。零階方法是在一定次數(shù)的抽樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用一個(gè)函數(shù)面來(lái)擬合設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)，然后求解該函數(shù)面的極值，尋求最優(yōu)解，是一種普遍適用的優(yōu)化方法。零階方法可以有效地處理絕大多數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，但優(yōu)化的精度一般不高。一階方法使用目標(biāo)函數(shù)的的一階導(dǎo)數(shù)來(lái)求解優(yōu)化問(wèn)題。一階優(yōu)化法比零階優(yōu)化法的求解精度高，但是精度高并不意味著所得的結(jié)果就是最佳解，而且使用一階優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算量大、求解時(shí)間長(zhǎng)，還可能在不合理的設(shè)計(jì)序列上收斂。一般來(lái)說(shuō)，在求解那些復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題時(shí)都需要同時(shí)采用這兩種方法，先用零階方法初步求得最優(yōu)解的基本位置，然后利用一階方法對(duì)最優(yōu)解的位置進(jìn)行更精確的求解。ANSYS 程序還為這兩種優(yōu)化方法提供了一個(gè)“分析—評(píng)估—修正”的循環(huán)過(guò)程，即對(duì)于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，按照設(shè)計(jì)要求對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，然后修正設(shè)計(jì)重新進(jìn)行分析，直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。

2 安全鉗楔塊有限元模型

安全鉗楔塊的截面是相同的，因此我們可以把楔塊的受力問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面力學(xué)問(wèn)題。本文以ANSYS提供的PLANE82 單元來(lái)建立安全鉗的有限元分析模型。安全鉗楔塊為鋼材，因此材料的彈性模量為2.0E11，材料的泊松比為0.3。以楔塊的一個(gè)截面為分析對(duì)象。安全鉗的截面為一個(gè)直角梯形，以直角梯形的四個(gè)角的坐標(biāo)建立四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。然后通過(guò)建立的關(guān)鍵點(diǎn)建立安全鉗楔塊的截面模型。模型建好以后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分了。梯形的上底和下底較短，可劃分為5 段，梯形的腰較長(zhǎng)，可劃分為20 段。網(wǎng)格劃分后的模型如圖1 所示。

3 安全鉗結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

安全鉗制停時(shí)受3 個(gè)力作用:制停力、導(dǎo)軌面的反作用力以及導(dǎo)軌面的摩擦力。楔塊的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析就是要研究在這3 個(gè)力的作用下楔塊的變形及應(yīng)力分布情況。安全鉗的制停力是由吊籠的加速度來(lái)決定的，安全鉗在各種情況下的制停力［8］如表1 所示。

表1 安全鉗制停力

這里我們只針對(duì)最差工況下的情況進(jìn)行分析，即吊籠自由墜落，安全鉗采用最大制停力制停吊籠時(shí)楔塊的受力情況。此時(shí)楔塊制停力Fmax=20 kN。

圖1 施工升降機(jī)安全鉗楔塊有限元模型

圖2 給出了楔塊受力后的變形情況圖。

圖2 安全鉗楔塊變形圖

圖3 給出了安全鉗楔塊受力后的應(yīng)力分布云圖。

由圖我們可以看出，楔塊受力后結(jié)構(gòu)內(nèi)有三個(gè)主要集中的地方，最大應(yīng)力產(chǎn)生在靠近頂部的應(yīng)力集中處。楔塊遠(yuǎn)離導(dǎo)軌一側(cè)的兩個(gè)尖角也有應(yīng)力集中。

圖3 安全鉗楔塊應(yīng)力分布圖

4 安全鉗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的有限元模型和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的模型基本上是相同的，因此在對(duì)施工升降機(jī)安全鉗進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用之前建好的模型。進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，選擇Basic Opt 優(yōu)化計(jì)算方法，設(shè)置減少材料的百分比為10%。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)基本選項(xiàng)設(shè)置如圖4 所示。

執(zhí)行優(yōu)化，以楔塊的材料分布為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化迭代的收斂公差設(shè)定為0.000 1。最大迭代次數(shù)設(shè)置為20 次。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)求解設(shè)置如圖5 所示。

5 結(jié)果分析

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)基本選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)求解設(shè)置對(duì)話框

執(zhí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，得到安全鉗楔塊拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果如圖6、圖7 所示。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，把楔塊與導(dǎo)軌接觸面設(shè)計(jì)成齒狀是比較合理，這與實(shí)際的楔塊結(jié)構(gòu)也是一致的。

6 結(jié) 語(yǔ)

圖6 楔塊節(jié)點(diǎn)偽密度

本文主要介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念及ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。利用ANSYS 軟件建立了施工升降機(jī)安全鉗楔塊的有限元分析模型，分別對(duì)施工升降機(jī)安全鉗楔塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。得到了安全鉗楔塊在最惡劣工況條件下的變形圖、應(yīng)力分布云圖以及拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，為施工升降機(jī)安全鉗楔塊的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

圖7 目標(biāo)函數(shù)的歷程曲線

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