基于結(jié)構(gòu)仿生的塔式起重機(jī)臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)初探

王波，韋何耕，張浩強(qiáng)

（河池學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西 宜州 546300）

1 臂架有限元模型建立及分析

1.1 基本參數(shù)

QTZ40塔式起重機(jī)臂架的額定起重力矩、最大起重力矩分別為400kN·m、454kN·m，起升高度為30m，最大起重量為4t，起重速度和小車(chē)運(yùn)行速度分別為 17.5～35m/min、38m/min， 工 作 幅 度 Rmax=40m、Rmin=2m。結(jié)合《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T13752-1992），可確定研究對(duì)象塔式起重機(jī)利用等級(jí)為U4、載荷狀態(tài)為Q2、起升等級(jí)為HC2、工作級(jí)別為A4。研究用QTZ40塔式起重機(jī)臂架為小車(chē)變幅水平臂架，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)度為6m，一個(gè)延長(zhǎng)節(jié)的長(zhǎng)度為3.84m，截面形式為正三角形截面，采用人字式布置方式腹桿體系，桿件材料為Q345，彈性模量、泊松比、密度分別為210GPa、0.3、7800kg/m3，表1為QTZ40塔式起重機(jī)桿件截面幾何特性參數(shù)。

表1 QTZ40塔式起重機(jī)桿件截面幾何特性參數(shù)

1.2 受力分析

具體分析如下：（1）起升載荷。結(jié)合《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，可求得起升動(dòng)載系數(shù)φ2=1.05+0.4（vh-0.2）=1.2，由此即可應(yīng)用公式求得準(zhǔn)確率較高的起升載荷，公式中的Cp代表額定起重量。（2）自重載荷。為彌補(bǔ)ANSYS模型存在的計(jì)算不足，本文選擇了8500kg/m3作為臂架金屬結(jié)構(gòu)材料密度，并由此進(jìn)行自重載荷的計(jì)算。（3）風(fēng)載荷。圍繞工作狀態(tài)下的風(fēng)載荷，取計(jì)算風(fēng)壓pw=250MPa，可使用公式完成風(fēng)載荷的求得，公式中的分別為作用在臂架上的風(fēng)載荷、風(fēng)力系數(shù)、計(jì)算風(fēng)壓、計(jì)算面積。

1.3 分析計(jì)算

完成臂架有限元模型建立后，可開(kāi)展如下分析計(jì)算。

（1）靜力學(xué)分析。起升載荷在吊臂最大起升幅度處、吊臂外跨中位置處、吊臂內(nèi)跨中位置處三種特殊工況施加，由此可求得起升載荷分別為11760N、25754.4N、47040N，分配到各接觸點(diǎn)的集中力則分別為5880N、12877.2N、23520N。結(jié)合ANSYS建立的臂架位移云圖、應(yīng)力云圖，即可求得三種工況的最大位移分別為278.07mm、251.76mm、252.94mm， 最 大 應(yīng) 力 則 為 147MPa、176MPa、227MPa，由此可見(jiàn)QTZ40塔式起重機(jī)不僅滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)規(guī)范要求，本身還存在著一定材料剩余，這就為更深入研究提供了契機(jī)。

（2）模態(tài)分析。采用ANSYS中的Block Lanczos方法開(kāi)展模態(tài)分析，求得了臂架前四階表現(xiàn)分別為水平面內(nèi)左右擺動(dòng)、垂直平面內(nèi)點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、中部彎曲，固有頻率分別為0.5580Hz、2.5837Hz、3.1922Hz、3.3246Hz，可以斷定起升機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)載均可能引發(fā)臂架振動(dòng)，其中貨物的快速起升、制動(dòng)、卸載危害極為嚴(yán)重，

這點(diǎn)需要得到高度重視。

2 臂架仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 仿生原型選擇

開(kāi)展王蓮和塔式起重機(jī)臂架的相似性研究，采用模糊相似性分析評(píng)價(jià)方法最終求得了二者的相似度為0.723，由此可見(jiàn)王蓮能夠較好勝任QTZ40塔式起重機(jī)臂架仿生原型角色。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

結(jié)合測(cè)量和分析，可以確定王蓮葉脈具備結(jié)構(gòu)交錯(cuò)、沿其伸展方向逐漸變細(xì)、各級(jí)葉脈之間呈一定角度、通過(guò)各級(jí)葉脈相連而成的特性，這些最終使得王蓮葉脈憑借網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了載荷的分割和分層傳遞。最終，確定了由三個(gè)面和兩條拉桿組成的面厚70mm、拉桿直徑80mm、材料為Q345的優(yōu)化模型，圖1為這一拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果示意圖，QTZ40塔式起重機(jī)臂架的體積由此實(shí)現(xiàn)了60%的減少。

圖1 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果示意圖

2.3 仿生優(yōu)化方案確定

結(jié)合圖2開(kāi)展分析，可以確定該拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果存在部分腹桿太粗、未完全吃透王蓮葉脈精華方面的欠缺，因此確定了設(shè)立三級(jí)腹桿、結(jié)合王蓮葉脈黃金分割定律、適當(dāng)增加腹桿分布密度的優(yōu)化方法，這一優(yōu)化主要是為了保證王蓮的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)能夠較好融入塔式起重機(jī)臂架設(shè)計(jì)，圖3為仿生模型兩側(cè)面腹桿體系，由此即可更深入了解這一仿生優(yōu)化方案。

3 仿生臂架有限元分析及結(jié)果比較

選用Beam188單元進(jìn)行建模，最終取得了如圖2所示的臂架仿生模型，該模型采用的鋼結(jié)構(gòu)截面參數(shù)為：上弦桿φ108×8、φ89×7，腹桿φ38×3，下弦桿∠70×6、∠63×5。

3.1 分析計(jì)算

具體分析如下所示：（1）靜力學(xué)分析。三種工況的最大位移分別為273.49mm、193.25mm、231.52mm， 最 大 應(yīng) 力 則 為 118MPa、103MPa、181MPa，由此可見(jiàn)仿生臂架滿(mǎn)足了強(qiáng)度、剛度要求。（2）模態(tài)分析。同樣采用Block Lanczos方法，通過(guò)分析前四階模態(tài)，最終確定了前四階固有頻率分別為0.8446Hz、2.5961Hz、3.2604Hz、3.5593Hz。

3.2 結(jié)果比較

圖2 臂架仿生模型

圖3 仿生模型兩側(cè)面腹桿體系

結(jié)合比較可以清楚發(fā)現(xiàn)，仿生臂架實(shí)現(xiàn)了減重285.85kg，減重率高達(dá)11.41%，同時(shí)最大位移顯著降低，應(yīng)力優(yōu)化效果明顯，固有頻率顯著提高則避免了共振問(wèn)題的出現(xiàn)，臂架的穩(wěn)定性得到了保障。

[1]周奇才,吳青龍,熊肖磊.塔式起重機(jī)臂架周期性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017,12（25）:1-8.

[2]陶義,王宗彥,王珂.基于王蓮葉脈分布的塔式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2017,(03):36-39.