基于ANSYS的港口起重機(jī)桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王文志，劉　龍，滕媛媛

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

基于ANSYS的港口起重機(jī)桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王文志，劉龍，滕媛媛

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306）

隨著航運(yùn)的發(fā)展，港口起重機(jī)也迅速發(fā)展。目前，不僅要求起重機(jī)有更高的起重量和起升高度，還要求起重機(jī)的重量輕、作業(yè)空間大。為了減輕自重、簡化設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用ANSYS優(yōu)化模塊提供的一階優(yōu)化方法對(duì)起重機(jī)桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后起重機(jī)自重減小23.2%，質(zhì)量明顯減小。

桁架結(jié)構(gòu)；ANSYS；優(yōu)化設(shè)計(jì)；自重

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.013

0　引言

隨著港口運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，港口起重機(jī)的起升高度和外伸梁長度不斷增加，從而質(zhì)量越來越大，但這對(duì)碼頭的承載能力是個(gè)巨大的考驗(yàn)，為了在滿足剛度強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下減輕自重，需要對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，ANSYS為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了比較好的優(yōu)化方法。在ANSYS優(yōu)化模塊的幫助下，劉大強(qiáng)［1］等曾對(duì)起重機(jī)整體金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；劉成鑫［2］曾對(duì)門座起重機(jī)的四連桿組合臂架系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；馬玉英［3］對(duì)起重船拔桿式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化；戚其松［4］等對(duì)門式起重機(jī)主梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減重效果明顯。桁架結(jié)構(gòu)由于具有自重輕、造價(jià)較低和迎風(fēng)面積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，包括航空航天、橋梁建筑、車輛、起重機(jī)械等［5］。

本文基于APDL語言的有限元分析方法，對(duì)起重機(jī)桁架結(jié)構(gòu)拉桿的外徑、鞍梁的高度和拉桿與梁節(jié)點(diǎn)的位置的優(yōu)化，從而在部分結(jié)構(gòu)上減輕起重機(jī)整體自重，并且小車在滿載時(shí)壓桿的穩(wěn)定性滿足要求，得到比較滿意的結(jié)果。

1　 ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹

1.1 ANSYS介紹

ANSYS分析軟件提供了兩種工作模式：人工交互方式（GUI方式）和命令流輸入方式（Batch方式）。人工交互方式對(duì)于復(fù)雜的有限元模型，由于對(duì)模型修改后分析帶來的大量重復(fù)操作，占據(jù)了大量的時(shí)間，有時(shí)是計(jì)算時(shí)間的幾倍。另外，采用GUI方式往往生成大量數(shù)據(jù)文件，這造成了交流的不便。

APDL允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶實(shí)際上對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析屬性有控制權(quán)，可以減少大量的重復(fù)工作，特別適用于經(jīng)少量修改后需多次重復(fù)計(jì)算的場(chǎng)合。同時(shí)便于保存數(shù)據(jù)，建立模型時(shí)間短，運(yùn)算時(shí)間短，節(jié)省時(shí)間［6］。

1.2 ANSYS優(yōu)化介紹

ANSYS優(yōu)化具體步驟如下。

（1）生成分析文件：①參數(shù)化建模；②加載與求解；③進(jìn)入ANSYS的后處理模塊。

（2）提取對(duì)應(yīng)參數(shù)。在ANSYS結(jié)果數(shù)據(jù)庫里提取與分析文件中變量相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，一般為狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。

（3）進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)處理器，指定分析文件。

（4）聲明優(yōu)化變量。即指定設(shè)計(jì)變量（優(yōu)化對(duì)象）、狀態(tài)變量（約束條件）和目標(biāo)函數(shù)（質(zhì)量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用等）。ANSYS允許有不超過60個(gè)設(shè)計(jì)變量（DV）和不超過100個(gè)狀態(tài)變量（SV），但只能有1個(gè)目標(biāo)函數(shù)（OBJ）。

（5）選擇優(yōu)化工具或方法。ANSYS提供了兩種優(yōu)化方法：零階方法和一階方法。這兩種優(yōu)化方法可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。零階方法（直接法）之所以稱為零階方法是由于它只用到因變量而不用到它的偏導(dǎo)數(shù)。零階方法是一個(gè)很完善的處理方法，使用所有因變量的逼近，可以很有效地處理大多數(shù)的工程問題。一階方法（間接法）基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，使用偏導(dǎo)數(shù)，即使用因變量的一階導(dǎo)數(shù)。此方法精度很高，設(shè)計(jì)空間也相對(duì)較大，結(jié)果精確，但一階方法計(jì)算量大。

對(duì)于這兩種方法，ANSYS提供了一系列的分析—評(píng)估—修正的循環(huán)過程。就是對(duì)于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)分析的結(jié)果就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然后修正設(shè)計(jì)。這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止［7］。

（6）指定優(yōu)化循環(huán)控制方式。每種優(yōu)化方法和工具都有相應(yīng)的循環(huán)控制參數(shù)，如最大迭代次數(shù)等。

（7）進(jìn)行優(yōu)化分析。所有的控制選項(xiàng)設(shè)定后即可進(jìn)行分析。在優(yōu)化過程中，優(yōu)化循環(huán)文件（Jobname.LOOP）會(huì)根據(jù)分析文件生成。循環(huán)在滿足下列任一情況時(shí)終止∶收斂、中斷（不收斂，但最大循環(huán)次數(shù)或是最大不可行解數(shù)目達(dá)到了）、分析完成［8-9］。

2　岸橋桁架結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1桁架結(jié)構(gòu)參數(shù)

起重機(jī)在靜止?jié)M載的情況下，小車在大梁上行走給起重機(jī)施加載荷，如圖1。起重機(jī)梁跨距為96.3 m，總高為28.4 m，額定承載65 t。桁架結(jié)構(gòu)材料選用Q345鋼，彈性模量為E=205 GPa，由于在計(jì)算過程中忽略了筋、螺釘?shù)仍?，故設(shè)梁的密度為14 000 kg/m3，拉桿的密度為9 000 kg/m3，腿的密度為16 000 kg/m3。強(qiáng)度要求是梁所受的軸應(yīng)力不能超過其許用軸應(yīng)力100 MPa，拉桿應(yīng)力不超過其許用值265.4 MPa，梁上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大撓度不能超過這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離的1/500。

圖1　起重機(jī)桁架結(jié)構(gòu)

2.2參數(shù)化建模

在參數(shù)化建模過程中，選用beam188單元作為仿真的單元材料。Beam188單元適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。Beam188是三維線性（2節(jié)點(diǎn)）或者二次梁單元。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)或者七個(gè)自由度，自由度的個(gè)數(shù)取決于KEYOPT（1）的值。當(dāng)KEYOPT（1）=0（缺?。r(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度；節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、y、z方向的平動(dòng)和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)KEYOPT（1）=1時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度，這時(shí)引入了第七個(gè)自由度（橫截面的翹曲）。這個(gè)單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和/并非線性大應(yīng)變問題。當(dāng)NLGEOM打開的時(shí)候，beam188的應(yīng)力剛化，在任何分析中都是缺省項(xiàng)。建模時(shí)，鉸接的地方，在ANSYS中采用耦合重合點(diǎn)并釋放自由度的方法來實(shí)現(xiàn)。

2.3約束與施加載荷

該結(jié)構(gòu)在施加約束時(shí)，采用比較理想化的約束方法，由于考慮到是在靜止情況下優(yōu)化桁架結(jié)構(gòu)，故假設(shè)起重機(jī)大車部位三個(gè)自由度完全約束。施加載荷時(shí)，剛腿承受固定載荷為10噸，柔腿承受固定載荷為5噸。在優(yōu)化過程中選取9個(gè)的特殊的位置加載分析桁架受力變形情況。將小車自重及貨物的重量通過4個(gè)車輪施加4個(gè)集中載荷，每個(gè)載荷為37.5 kN，這是由于在滿載情況下，小車自重與吊具和滿載起重量之和為150 t。

2.4求解

在計(jì)算過程中，先計(jì)算一組載荷，提取這組需要數(shù)據(jù)，然后清空施加的載荷，再施加下組載荷，計(jì)算并提取數(shù)據(jù)，一直進(jìn)行直至9組計(jì)算完畢。優(yōu)化時(shí)利用桁架所承受的支反力與加速度比值獲得質(zhì)量WT。

3　優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型

3.1優(yōu)化變量

優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過構(gòu)建優(yōu)化模型，運(yùn)用各種優(yōu)化方法，通過滿足設(shè)計(jì)要求下的迭代次數(shù)，求得目標(biāo)函數(shù)的極值，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

其數(shù)學(xué)模型可表示為：

目標(biāo)函數(shù)：WT=FZ/g

設(shè)計(jì)變量：7≤H≤15

0.02≤D≤0.074

10≤B≤20

狀態(tài)變量：SDi≤100 MPa（i=1，2，3，……，54）

SMAXj≤265.4 MPa（j=1，2，…..9）

DZMAXn≤L/500（L是梁上兩節(jié)點(diǎn)的距離）（n=1，2，3，4，5）

其中，桁架系統(tǒng)重量WT為目標(biāo)函數(shù)，用來評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，拉桿軸應(yīng)力SDi、梁的軸應(yīng)力SMAXj、節(jié)點(diǎn)撓度DZMAXn為狀態(tài)變量，只有滿足狀態(tài)變量的要求的設(shè)計(jì)才是合理設(shè)計(jì)。桁架高度H、梁上鉸接點(diǎn)距中心的距離B、拉桿圓管外徑D是設(shè)計(jì)需要優(yōu)選參數(shù)組成的變量，為設(shè)計(jì)變量。

3.2優(yōu)化結(jié)果

為了提高優(yōu)化精度，優(yōu)化方法采用一階優(yōu)化，優(yōu)化前后結(jié)果比較如表1。

表1　R優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化過程的最優(yōu)解H=7 m，D=86.329 mm，B=16.036 m，WT=518.97 t。

一階算法下目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的歷程如圖2。

圖2　各變量及質(zhì)量歷程曲線

3.3壓桿穩(wěn)定性校核

由于桁架結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在提取拉桿應(yīng)力的時(shí)候選取一半作為研究對(duì)象。如圖3，選取桿66，59，58，62，63，68作為研究對(duì)象。初始桁架高H=11.3 m，節(jié)點(diǎn)距中心的距離B=15.06 m，管的外徑D=0.377 m。

圖3　桁架結(jié)構(gòu)標(biāo)號(hào)圖

由Ansys提取的軸應(yīng)力可以看出桿件59，63，66，68受壓。當(dāng)加載在點(diǎn)113，114，134，135節(jié)點(diǎn)時(shí)，其中桿66的壓應(yīng)力最大為σ=94.33 MPa。為了校核其穩(wěn)定性，采用ANSYS屈曲分析。

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變的不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)。ANSYS提供了非線性屈曲分析和特征值（線性）屈曲分析兩種方法，特征值屈曲分析即教科書里傳統(tǒng)的彈性屈曲分析方法，非線性屈曲方法比特征值屈曲分析更精確，是實(shí)際中更常用的方法。分析66桿的穩(wěn)定性用特征值法，是線性屈曲分析，主要有兩大步驟：先進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析，分析時(shí)必須將預(yù)應(yīng)力開關(guān)打開；然后進(jìn)行屈曲分析［10］。

在建立模型時(shí)，采用beam188單元，分析結(jié)果顯示屈曲系數(shù)為1 322 700，由于靜力分析時(shí)為結(jié)構(gòu)施加的載荷為單位載荷，所以受壓桿臨界壓力為1 322 700 N，其應(yīng)力為96.5 MPa，與解析解基本一致。由于結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力為94.33 MPa，故桿穩(wěn)定。

在加載左側(cè)的時(shí)候，桿件66承受最大壓應(yīng)力，當(dāng)加載右側(cè)和中間位置的時(shí)候桿件67承受最大壓應(yīng)力，由于桁架結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，桿件66和67具有相同的穩(wěn)定性系數(shù)。當(dāng)加載113，114，134，135節(jié)點(diǎn)時(shí)，桿67承受最大壓應(yīng)力σ= 94.33 MPa。由此可知桿67穩(wěn)定。綜上可知，桿在小車的運(yùn)動(dòng)過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4　總結(jié)展望

基于有限元軟件ANSYS對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，在滿足桁架結(jié)構(gòu)自身要求的前提下，優(yōu)化方案比原方案自重減少了23.2%。在小車滿載的情況下，各拉桿在受壓時(shí)能夠保持其穩(wěn)定性，并且梁的剛度符合要求，優(yōu)化效果明顯。將優(yōu)化的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際，在很大程度上節(jié)省了結(jié)構(gòu)的成本和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的周期，使得設(shè)計(jì)的桁架結(jié)構(gòu)更加的經(jīng)濟(jì)化，合理化和科學(xué)化，該種分析桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

在優(yōu)化過程中，將梁和拉桿作了理想化假設(shè)，在進(jìn)步研究工作中要考慮到具體的情況，比如梁上加筋，還有螺栓對(duì)梁的影響以及滿足疲勞強(qiáng)度條件。同時(shí)，還需要考慮更合適的優(yōu)化方法，保證優(yōu)化結(jié)果的精度和可靠性。

［1］劉大強(qiáng)，徐洪澤，冷松.岸邊集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析［C］.第八屆物流工程學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008.

［2］劉成鑫.港口門座起重機(jī)四連桿組合臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

［3］馬玉英.大型起重船臂架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

［4］戚其松，范小寧，徐格寧，等.基于Ansys的門式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2013（8）：32-34.

［5］魏文儒，屈福政.基于ANSYS的空間桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（7）：32-34.

［6］張東寶.單梁雙吊鉤門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.西安：長安大學(xué)，2011.

［7］張紅松，胡仁喜，康工廷.ANSYS12.0有限元分析從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［8］金梁斌.輥壓自動(dòng)化傳輸設(shè)備橋式起重機(jī)吊架力學(xué)特性研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2014（3）：19-22.

［9］曾志華，虞偉建.ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，2009，13（38）：33-36.

［10］高耀東，李強(qiáng)，張玉寶，等.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華60例：第4版［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

（編輯：阮毅）

Optimization Design of the Port Crane Truss Structure Based on ANSYS

WANG Wen-zhi，LIU Long，TENG Yuan-yuan
（Logistics Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

Port crane is the guarantee of port industry development At present，it not only requires the crane having a higher weight and hoisting height，besides，the port crane weight must be light and the optimize space is large.This optimization design mainly through reduces the weight of crane truss optimization.ANSYS optimization module provides two optimization methods-zero order and first order，which can deal with most questions.Beam axial stress，the deflection of beam and the stability of the pressure rod as state variables of optimization are to be considered in the optimization.Quality as the objective function，reduced greately after optimization.

truss structure；ANSYS；optimization design；self weight

TH215

A

1009-9492（2015）01-0052-04

2014-07-10

王文志，男，1989年生，山東臨沂人，碩士。研究領(lǐng)域：港口機(jī)械。