基于ANSYS的塔機起重臂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

賈　潔,　萬一品，　劉洪海,　劉曉婷

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安　710064)

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基于ANSYS的塔機起重臂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

賈潔,萬一品，劉洪海,劉曉婷

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安710064)

為保證塔機起重臂結(jié)構(gòu)在安全工作條件下質(zhì)量最輕,文章借助APDL語言在ANSYS中建立QTZ5010型塔機起重臂結(jié)構(gòu)有限元模型,并進行靜態(tài)仿真分析,得出起重臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況及其富余量;以起重臂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計為目標(biāo),結(jié)構(gòu)橫截面尺寸為優(yōu)化變量,極限工況載荷下結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榧s束,建立了起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型,并對其結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化進行迭代計算。迭代結(jié)果顯示，起重臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了309 kg,減輕了11.6%,實現(xiàn)了起重臂結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計,并且優(yōu)化后的臂架結(jié)構(gòu)強度比優(yōu)化前有明顯提升。分析結(jié)果表明建立的起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型具有可行性,為現(xiàn)役塔機結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供了參考。

起重臂;有限元分析;數(shù)學(xué)模型;輕量化設(shè)計

0　引　　言

塔式起重機實現(xiàn)節(jié)能減排的核心問題是減輕塔機結(jié)構(gòu)質(zhì)量,起重臂是塔機的核心部件,其輕量化設(shè)計對于整機結(jié)構(gòu)減重至關(guān)重要。塔機起重臂的輕量化設(shè)計是在滿足起重臂起重性能的同時減小臂架結(jié)構(gòu)質(zhì)量,從而降低生產(chǎn)成本[1]。輕量化設(shè)計的實現(xiàn)途徑有2種,即選取新型輕質(zhì)材料和對結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化,前者不能降低生產(chǎn)成本,因而多采用后者實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計[2]。文獻[3]借助于有限元方法探討了某型號起重臂結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化;文獻[4]采用基于DOE實驗設(shè)計理論構(gòu)建起重臂優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化;文獻[5]提出了起重臂吊點位置優(yōu)化和型鋼尺寸優(yōu)化策略,編制優(yōu)化程序?qū)崿F(xiàn)起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

本文以西安京龍公司QTZ5010型塔機輕量化設(shè)計為基礎(chǔ),以結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)、結(jié)構(gòu)強度為約束,建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,基于ANSYS優(yōu)化平臺選擇合理優(yōu)化算法[6],對起重臂進行輕量化迭代計算,并對優(yōu)化結(jié)果進行驗證分析。

1　起重臂結(jié)構(gòu)分析

QTZ5010型塔機50 m長起重臂結(jié)構(gòu)建模時,將結(jié)構(gòu)連接點視為節(jié)點。選擇梁單元beam188,自由網(wǎng)格劃分,得到起重臂結(jié)構(gòu)有限元模型。起重臂工作時考慮風(fēng)載作用,其施加載荷和位移約束如圖1所示。

圖1　典型工況載荷施加與位移約束圖

在起重臂超靜態(tài)實驗中載荷取塔式起重機額定起重載荷的1.25倍[7],分別在圖1中A、B、C3點處起吊重物,A點在50 m長起重臂末端,B點在26 m幅度處,C點在2 m幅度處,計算得到的典型工況載荷[8-9]與位移約束見表1所列。

表1　起重臂工況載荷與位移約束

按照表1中的載荷大小與加載方式進行力的加載和位移邊界條件處理,可以得到3種工況下塔機結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果和吊臂危險點位置,靜力學(xué)分析3種工況下應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2　典型工況下靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖

由圖2可以知道,起重臂最大應(yīng)力值為135.24 MPa,小于材料許用應(yīng)力值175 MPa；最大位移變形量64.20 mm,每米變形量為1.28 mm/m,小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5 mm/m。該型起重臂結(jié)構(gòu)可以進行輕量化設(shè)計,以減輕整機自重。

2　結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型建立與求解

2.1優(yōu)化模型建立

起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化是要實現(xiàn)優(yōu)化模型中設(shè)定的多個參數(shù)指標(biāo)同步最優(yōu)[10],以結(jié)構(gòu)尺寸為優(yōu)化設(shè)計參數(shù)、起重臂輕量化為目標(biāo)建立優(yōu)化模型，優(yōu)化設(shè)計流程如圖3所示。

根據(jù)起重臂結(jié)構(gòu)特點確定設(shè)計變量[11],分別選取起重臂結(jié)構(gòu)中斜腹桿內(nèi)徑尺寸R1和外徑尺寸R2、直腹桿內(nèi)徑尺寸E1和外徑尺寸E2以及懸桿角鋼厚度的4個尺寸(T1、T2、T3、T4),參考結(jié)構(gòu)原始尺寸確定變量區(qū)間。

圖3　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程

根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果,建立優(yōu)化函數(shù)為:

(1)

其中,f(x)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量;ρ為材料密度;V(xi)為結(jié)構(gòu)體積,xi為設(shè)計變量，即結(jié)構(gòu)尺寸。

建立2個狀態(tài)變量,即應(yīng)力變量S和位移變量D,則對應(yīng)的應(yīng)力約束條件為:

(2)

其中,Smax為最大等效應(yīng)力;Si為第i個節(jié)點等效應(yīng)力；[S]為材料許用應(yīng)力。

對應(yīng)的位移約束條件為:

(3)

其中,Dmax為最大位移變形量;Di為第i個節(jié)點處位移變形量;[D]為許用位移變形量。

2.2模型求解

采用ANSYS中的Design Opt優(yōu)化設(shè)計部分對起重臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[12]。在優(yōu)化過程中設(shè)計變量的變化如圖4所示,目標(biāo)函數(shù)值的變化曲線如圖5所示。

圖4　設(shè)計變量優(yōu)化過程變化曲線

圖5　目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)化過程變化曲線

將分析結(jié)果整理得到各個設(shè)計變量優(yōu)化前、后的實際值與變動幅度，見表2所列。

表2　優(yōu)化前、后相關(guān)變量的變化情況

對起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化可得:① 尺寸R1和E1分別增大5.5%和6.8%,T2和T4分別減小2.9%和6.1%;② 起重臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了309 kg,減重11.6%,實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

3　優(yōu)化后模型驗證

按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸,修改原模型尺寸,按表1施加載荷和約束,靜力學(xué)分析應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

圖6　優(yōu)化后典型工況靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖

優(yōu)化前、后3種工況下靜力學(xué)分析結(jié)果見表3所列。

表3　靜力學(xué)分析結(jié)果

由表3可以看出,優(yōu)化后最大應(yīng)力值為117.43 MPa,比優(yōu)化前減小17.81 MPa;最大位移變形量為31.92 mm,比優(yōu)化前減小32.28 mm。優(yōu)化后的起重臂靜強度優(yōu)于優(yōu)化前的,QTZ5010型塔機起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的尺寸是安全的,有效利用了材料的強度性能,減輕了整機自重,實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

4　結(jié)　　論

本文通過對QTZ5010型起重機起重臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析,得到如下結(jié)論:

(1) 建立起重臂結(jié)構(gòu)有限元模型,通過靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),起重臂結(jié)構(gòu)在極限工況載荷下的強度富余量過大,可以進行輕量化設(shè)計,以減輕整機自重。

(2) 以起重臂輕量化設(shè)計為目標(biāo)建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化結(jié)果為起重臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少309 kg,比原質(zhì)量減輕了11.6%,實現(xiàn)了輕量化設(shè)計的目的。

(3) 通過對起重臂優(yōu)化前、后的有限元分析對比可知,優(yōu)化后的起重臂結(jié)構(gòu)強度有明顯提高。

(4) 優(yōu)化結(jié)果表明,本文結(jié)合有限元分析技術(shù)建立的起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型具有可行性,為現(xiàn)役老舊式塔式起重機結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供了一種切實可行的參考方法。

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[2]王平,鄭松林,吳光強.基于協(xié)同優(yōu)化和多目標(biāo)遺傳算法的車身結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程學(xué)報,2011,47(2):102-108.

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[8]王冬明,殷玉楓,王丹,等.塔式起重機結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析及載荷計算方法[J].機械設(shè)計,2014,31(7):85-88.

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(責(zé)任編輯胡亞敏)

Lightweight design of tower crane boom based on ANSYS

JIA Jie,WAN Yipin,LIU Honghai,LIU Xiaoting

(Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to get the lightest weight of the tower crane boom under the safe working condition, the finite element model of QTZ5010 tower crane boom was established by using ANSYS parametric design language(APDL) and the static simulation was made to get the stress and strain distribution and the strength and stiffness margin. With the boom structure lightweight design as the optimization goal, the dimension of cross section as the optimization variables and the stress and strain under the limit load as constraint, the mathematical model of the optimal design of the crane boom structure was built. The iterative computation of the lightweight of the crane boom structure was conducted, and the results showed that the loss of the structural weight was 309 kg, reducing by 11.4%. The lightweight design of the boom was realized, and the strength of the structure was obviously improved after optimization. The results show that the presented optimization mathematical model is feasible and can provide a reference for the lightweight design of active tower crane structure.

crane boom; finite element analysis; mathematical model; lightweight design

2015-08-25；

2015-10-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(310825163407；2014G3252006)

賈潔(1990-),女,陜西韓城人,長安大學(xué)博士生;

劉洪海(1963-),男,陜西西安人,博士,長安大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.07.006

TU61

A

1003-5060(2016)07-0892-04