基于APDL的龍門吊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱成 翟保進(jìn)

摘 要：龍門式起重機(jī)適用于港口碼頭、修造船廠、貨場(chǎng)、車間和施工工地等，應(yīng)用十分廣泛。本文以20t單主梁電動(dòng)葫蘆龍門吊為例，運(yùn)用ANSYS提供的APDL語(yǔ)言進(jìn)行參數(shù)化建模，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定龍門吊各主要截面的尺寸及板厚，并使整機(jī)在滿足安全和使用要求的情況下自重最輕，闡述了一種龍門吊的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和過程。使用此方法不但大大減少了設(shè)計(jì)工作量和工作時(shí)間，使設(shè)計(jì)效率明顯提高，而且使龍門起重機(jī)的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化合理。

關(guān)鍵詞：APDL；龍門吊；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；ANSYS

1.概述

龍門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱龍門吊）在工業(yè)和制造等領(lǐng)域中廣泛使用，但由于貨種、作業(yè)場(chǎng)地、作業(yè)效率、用途的不同，導(dǎo)致龍門吊的設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的單一性和不可重復(fù)性，因此設(shè)計(jì)師一般需要根據(jù)業(yè)主的需求專門定制設(shè)計(jì)。

目前，龍門吊金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)廣泛采用ANSYS有限元分析軟件輔助計(jì)算，采用“方案設(shè)計(jì)→分析計(jì)算→修改方案→分析計(jì)算→……→確定最終方案”的常規(guī)設(shè)計(jì)流程，此種方法不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力用于修改計(jì)算模型上，而得出的最終結(jié)果還不一定是最優(yōu)解。

APDL語(yǔ)言可通過設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整，自動(dòng)完成上述循環(huán)過程，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而減少修改模型和方案以及重新分析計(jì)算所花的時(shí)間，達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)最優(yōu)化的目的。

2.建立有限元模型

本文舉例的龍門吊主要用于造船廠小型分段的吊裝作業(yè)，主要技術(shù)參數(shù)見表1：

龍門吊結(jié)構(gòu)采用beam188單元建模，含有5個(gè)典型箱型截面，其中四個(gè)支腿采用變截面梁。因截面尺寸和板厚為優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量，因此在建模時(shí)需要用代號(hào)表示各設(shè)計(jì)變量，并給出設(shè)計(jì)變量的初始值。建立的有限元模型見圖1。

3.加載和求解

為簡(jiǎn)化分析過程，模型按兩種最危險(xiǎn)工況計(jì)算：

工況一：在跨度中間起吊額定載荷；

工況二：在最大懸臂端起吊額定載荷。

因?yàn)橛昧簡(jiǎn)卧M設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，缺少橫隔板、焊縫、縱筋和法蘭等對(duì)自重的影響，因此計(jì)算時(shí)采用加大重力加速度的方法彌補(bǔ)其影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本例施加1.3倍的重力加速度。

4.后處理

ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)有三種變量，設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)變量。

三種變量中的狀態(tài)變量和目標(biāo)變量需要在后處理中獲得數(shù)據(jù)，本例中結(jié)構(gòu)應(yīng)力和下?lián)现禐闋顟B(tài)變量，模型總體積（可換算成重量）為目標(biāo)變量。

狀態(tài)變量值和目標(biāo)變量值的獲取如下：

5.優(yōu)化程序

在ANSYS優(yōu)化程序中最多可定義60個(gè)設(shè)計(jì)變量，且需要定義設(shè)計(jì)變量的取值范圍和公差，盡量少的設(shè)計(jì)變量、合適的取值范圍和公差能使優(yōu)化計(jì)算快速收斂，因此可根據(jù)實(shí)際把設(shè)計(jì)變量合并，并使各個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)盡量取一個(gè)稍小的范圍。

ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的公差用戶可自行輸入也可用系統(tǒng)默認(rèn)值，結(jié)合本例及生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)梁高和梁寬的公差取值為50，對(duì)板厚的取值為2。設(shè)計(jì)變量定義如下：

考慮到本龍門吊工作級(jí)別和載荷分布情況，以及使用材料，取結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力為176MPa，跨中許用下?lián)蠟镾/750（S為跨度），懸臂端許用下?lián)蠟長(zhǎng)/350（L為有效懸臂長(zhǎng)）。狀態(tài)變量定義如下：

本例優(yōu)化目標(biāo)為龍門吊的總重量，因重量與體積成比例，因此直接選擇總體積為目標(biāo)函數(shù)。定義目標(biāo)變量如下：

OPVAR，VOLUME，OBJ

6.優(yōu)化方法的選取和控制

在ANSYS中，系統(tǒng)支持零階和一階兩種優(yōu)化方法，這兩種方法能解決絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。為比較兩種優(yōu)化方法的優(yōu)化效果，對(duì)本例采用兩種優(yōu)化方法進(jìn)行分析。分析結(jié)果見表2。

從以上結(jié)果可以看出，一階優(yōu)化方法的目標(biāo)變量（VOLUME總體積）較小，優(yōu)化效果更好。優(yōu)化結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)變量的取值與實(shí)際情況有較小出入，所以需對(duì)各參數(shù)進(jìn)行取整。因采用的是參數(shù)化的建模方法，因此只用把設(shè)計(jì)變量更改為取整后的數(shù)值，即可完成對(duì)整機(jī)的分析。

7.總結(jié)

采用此方法進(jìn)行龍門吊設(shè)計(jì)，只用輸入較少的幾個(gè)主要參數(shù)值，就能得到各個(gè)截面的參數(shù)，大大降低了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法修改方案和修改模型的時(shí)間，而且是最優(yōu)的結(jié)果，尤其在方案設(shè)計(jì)階段，其高設(shè)計(jì)效率和高設(shè)計(jì)質(zhì)量的特點(diǎn)更為突出。

8.后期工作展望

本例采用的是最簡(jiǎn)單的單主梁龍門吊，代表了一種龍門吊優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和方法。后期工作重點(diǎn)是對(duì)所有型式的龍門式起重機(jī)均采用此種優(yōu)化方法，并與VB等軟件相結(jié)合，提供更加友好的人機(jī)界面，設(shè)計(jì)出一款通用龍門吊優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。

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