基于ANSYS Workbench的內(nèi)門架優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟 琨, 劉曉立，于治福, 范進(jìn)楨, 張 松

(1.河北工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 河北 邯鄲 056038； 2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 寧波 315800)

1內(nèi)門架三維模型的建立

起吊設(shè)備內(nèi)門架主要由立柱、上橫梁、下橫梁、滾輪軸及頂塊組成。本文采用Solidworks軟件對(duì)內(nèi)門架進(jìn)行三維參數(shù)化建模，建模過程忽略對(duì)分析結(jié)果影響很小的倒角，以減少分析時(shí)的計(jì)算量，節(jié)約時(shí)間[3]。設(shè)定的尺寸參數(shù)為立柱腹板高度一半DSD1，立柱翼緣板寬度DSD2，立柱翼緣板厚度 DSD3，立柱腹板厚度DSD4。

2內(nèi)門架有限元分析

2.1建立有限元模型

將內(nèi)門架三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench后，首先賦予其材料屬性[4]。內(nèi)門架采用材料16Mn，其彈性模量E為2.06×1011Pa，泊松比μ為0.3，密度ρ為7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為345 MPa，取安全系數(shù)2.5。然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用ANSYS Workbench默認(rèn)的自由網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行初步網(wǎng)格劃分，再對(duì)局部進(jìn)行細(xì)化，總計(jì)生成24 614個(gè)單元，53 131個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2施加載荷及約束

在工作過程中，當(dāng)叉架承載著額定載荷的物體起升至最大起升高度，此時(shí)為最危險(xiǎn)工況。針對(duì)內(nèi)門架在最危險(xiǎn)工況時(shí)的狀態(tài)，對(duì)叉架的上下滾輪與內(nèi)門架翼緣接觸區(qū)域施加9 321 N的力，對(duì)兩個(gè)上滾輪軸施加Y方向位移約束，對(duì)兩個(gè)下滾輪軸施加全自由度約束。施加載荷及約束后的模型如圖1所示。

2.3結(jié)果分析

經(jīng)求解，得到內(nèi)門架等效應(yīng)力云圖如圖2(a)所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上滾輪軸與內(nèi)門架立柱連接處，大小為120.42 MPa，則安全系數(shù)為2.86；等效位移云圖如圖2(b)所示，最大位移出現(xiàn)在內(nèi)門架頂端，大小為3.81 mm，而許用撓度為10 mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3內(nèi)門架優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1確定目標(biāo)函數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)門架在減少質(zhì)量以達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，靜態(tài)性能不降低的目標(biāo)，現(xiàn)以立柱截面尺寸為設(shè)計(jì)變量，強(qiáng)度、剛度為約束條件，內(nèi)門架質(zhì)量最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2優(yōu)化尺寸靈敏度分析

通過靈敏度計(jì)算各優(yōu)化尺寸對(duì)響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)，明確結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)優(yōu)化尺寸的敏感程度，可確定優(yōu)化尺寸對(duì)內(nèi)門架各性能參數(shù)影響的大小，并將靈敏度較大的尺寸作為最終的優(yōu)化尺寸即輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化，可提高優(yōu)化效率[5]。

由圖3可得，內(nèi)門架質(zhì)量隨著4個(gè)優(yōu)化尺寸的增大而增大，剛度隨著4個(gè)優(yōu)化尺寸的增大而減小，而優(yōu)化尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響正負(fù)不一，其隨著DSD1、DSD3、DSD4增大而減小，隨著DSD2增大而增大[6]。通過分析，4個(gè)優(yōu)化尺寸對(duì)內(nèi)門架質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度的影響因子均較大，因此作為最終的優(yōu)化尺寸進(jìn)行優(yōu)化，不再刪減。

3.3輸入?yún)?shù)響應(yīng)

現(xiàn)以保持立柱翼緣板寬度和厚度不變?yōu)槔?，觀察立柱腹板高度和厚度對(duì)內(nèi)門架質(zhì)量、剛度及強(qiáng)度的響應(yīng)，如圖4所示，其余變量的響應(yīng)均類似，不再贅述。從反映輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的響應(yīng)曲面可知，內(nèi)門架質(zhì)量與強(qiáng)度、剛度呈現(xiàn)制約關(guān)系，隨著立柱腹板高度和厚度的減小內(nèi)門架質(zhì)量也相應(yīng)減小，但是其剛度和強(qiáng)度會(huì)隨之增大[7]，這也驗(yàn)證了優(yōu)化尺寸靈敏度分析的正確性。由于不可能出現(xiàn)三者同時(shí)達(dá)到最小的目的，現(xiàn)以減少內(nèi)門架質(zhì)量為優(yōu)先優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

Analysis on the characteristics of the water burst in the construction period of the

3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)

ANSYS Workbench中的Design Explorer模塊作為一種快速優(yōu)化工具，采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)法(即DOE法)，根據(jù)需要優(yōu)化的參數(shù)的數(shù)目，通過蒙特卡羅抽樣技術(shù)，采集設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的響應(yīng)結(jié)果，并可利用二次插值函數(shù)構(gòu)造設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)面云圖或響應(yīng)曲線，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化[8-9]。

優(yōu)化過程中，參數(shù)DSD1初始值為66.5 mm，設(shè)定變化范圍為60～75 mm；參數(shù)DSD2初始值為50 mm，設(shè)定變化范圍為44～55 mm；參數(shù)DSD3初始值為16 mm，設(shè)定變化范圍為12～17 mm；參數(shù)DSD4初始值為12 mm，設(shè)定變化范圍為9～13 mm。設(shè)定樣本數(shù)為5 000。按照設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)，Design Explorer將會(huì)產(chǎn)生候選的優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)，將其中一組最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)作為正式設(shè)計(jì)點(diǎn)，并按該設(shè)計(jì)點(diǎn)的尺寸對(duì)原有模型進(jìn)行再生[10]，對(duì)新生成的內(nèi)門架模型進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化前后各參數(shù)數(shù)值對(duì)比如表1所示。

表1內(nèi)門架優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

名稱優(yōu)化前優(yōu)化后DSD1/mm66.574.88DSD2/mm5044.29DSD3/mm1614.07DSD4/mm129.44最大等效應(yīng)力/MPa120.42111.98最大等效位移/mm3.813.55質(zhì)量/kg97.8886.14

由表1可以得出，優(yōu)化后的內(nèi)門架在質(zhì)量減少12%的情況下，最大等效應(yīng)力降低了7%，最大等效位移降低了6.89%。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化效果良好。

4結(jié)論

(1)內(nèi)門架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但在滾輪軸獨(dú)柱連接處以及腰板外側(cè)與翼緣板外側(cè)連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響其疲勞壽命。在改進(jìn)設(shè)計(jì)中，可通過材料力學(xué)性能的提示加以解決。

(2)內(nèi)門架自下而上其位移變形量逐漸增大，在頂端達(dá)到最大值。雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但為了使其工作時(shí)更穩(wěn)定、安全，可通過將橫梁的布置高度提高或增加橫梁數(shù)目等措施來增強(qiáng)內(nèi)門架的剛度。

(3)優(yōu)化后的內(nèi)門架在質(zhì)量減少12%的情況下，最大等效應(yīng)力降低7%，最大等效位移降低了6.89%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 卞學(xué)良, 羅明軍, 穆希輝, 等.全向蓄電池側(cè)面叉車外門架的有限元分析及優(yōu)化[J].工程機(jī)械, 2006(7): 35-38.

[2] 周京京, 穆希輝, 馬振書, 等.全向側(cè)面叉車門架有限元分析及運(yùn)動(dòng)仿真[J].起重運(yùn)輸機(jī)械, 2009(2):65-68.

[3] 汪 宇, 王東方. 基于ANSYS Workbench的立式加工中心床身有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2009, 31(9):129-131.

[4] 慕 燦. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)UG NX模型導(dǎo)入ANSYS Workbench的方法研究[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 26(4): 33-36.

[5] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社, 2010.

[6] 周孜亮, 王貴飛, 叢 明.基于ANSYS Workbench的主軸箱有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2012(3): 17-20.

[7] 李 兵, 何正嘉, 陳雪峰. ANSYS Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2008.

[8] 馬靜敏, 范云霄.基于ANSYS Workbench的太陽能熱水器支架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].輕工機(jī)械, 2011, 29(5):97-101.

[9] 劉學(xué)文，劉 康，劉光磊，等.龍門加工中心橫梁部件靜態(tài)特性分析[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，26(5):44-47.

[10] 凌桂龍, 丁金濱, 溫 正.ANSYS WorkBench 13.0從入門到精通[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2012.