ANSYS結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)在起重機(jī)車架上的應(yīng)用

摘要：起重機(jī)車架是起重機(jī)中的關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是其重要研究內(nèi)容。通過物理實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成本較大，且消耗大量時(shí)間。優(yōu)化設(shè)計(jì)手段主要包括基于數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于計(jì)算機(jī)輔助分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)兩大類，有限元法為使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，ANSYS作為機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，其功能包括了結(jié)構(gòu)靜力有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，這為通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行起重機(jī)車架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可能。對(duì)某種起重機(jī)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，提出結(jié)構(gòu)中可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的部分，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究起重機(jī)車架提供了方向。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);故障診斷;仿真技術(shù);算法

作者簡介：汪陽（1984-），男，安徽蚌埠人，本科，工程師，研究方向?yàn)槠鹬貦C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。

0 ?引言

起重機(jī)能夠在一定的使用范圍內(nèi)提升、運(yùn)輸、裝卸重物[1，2]。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)顯示，起重機(jī)械的對(duì)外出口量逐年增長，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。起重機(jī)的結(jié)構(gòu)基本由起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成[3，4]。其吊臂、轉(zhuǎn)臺(tái)和車架占據(jù)起重機(jī)大部分重量，因此，對(duì)車架的優(yōu)化研究十分重要。優(yōu)化設(shè)計(jì)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，目前，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段主要包括兩種：基于數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于計(jì)算機(jī)輔助分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，基于數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法較為傳統(tǒng)，因?yàn)槠鋽?shù)學(xué)模型包含許多假設(shè)，對(duì)于簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可建立其優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，但對(duì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其優(yōu)化模型往往無從建立，因此，在工程中常采用計(jì)算機(jī)輔助分析方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)探索。ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊可完成復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化探索[5，6]，現(xiàn)已在機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

1 ?ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析理論

有限元法可求解邊界值或初值問題，其基本思想是將整體區(qū)域進(jìn)行有限維度劃分，成一定數(shù)量的子區(qū)域，用子區(qū)域的試探函數(shù)來近似連續(xù)體函數(shù)，因此，求解連續(xù)體的微分方程即變?yōu)橛邢薜拇鷶?shù)方程。在理論上，可采用矩陣方法進(jìn)行理論分析，而在實(shí)際求解中可采用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行求解。有限元法包括線性有限元和非線性有限元兩部分。其中，線性有限法以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，其研究的主要問題有桿系有限元、平面力學(xué)問題、軸對(duì)稱問題、板殼有限元等。非線性有限元的主要求解方法有直接迭代法、牛頓法、擬牛頓法、增量法等，主要解決非線性、大變形問題。

在彈性力學(xué)中，內(nèi)力與體積力的關(guān)系方程為：

式中，A為微分算子矩陣;Fb為體積力矩陣;ρ為體積密度;σ為應(yīng)力矩陣;d為位移矩陣。

應(yīng)變與位移的關(guān)系方程為：

應(yīng)力與應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為：

式中，D-1為彈性矩陣的逆矩陣。

應(yīng)力邊界條件為：

式中，F(xiàn)s為表面力矩陣;L為表面外法線方向余弦矩陣。

位移邊界條件為：

式中，d為已知位移沿坐標(biāo)分量矩陣。

1.2 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊

ANSYS將結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、電化學(xué)等學(xué)科融為一體，以有限單元法（FEM）為基礎(chǔ)，組成一款大型通用有限元分析軟件。ANSYS軟件提供了建模功能和網(wǎng)格劃分功能，用戶可根據(jù)需要建立所需的有限元模型，由于ANSYS的三維立體模型的建模能力有限，且操作不太友好，在實(shí)際分析時(shí)，通常選擇第三方的三維建模軟件進(jìn)行建模，如SolidWorks、UG、Creo、CATIA等，建立好模型后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元分析與后處理。

ANSYS本身集成有優(yōu)化設(shè)計(jì)探索模塊：Design Explorer。在Design Explorer中，用戶可建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行六西格瑪設(shè)計(jì)、魯棒設(shè)計(jì)、目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化等。Design Explore模塊以參數(shù)化模型為基礎(chǔ)，模型必須有輸入和輸出參數(shù)。輸入?yún)?shù)如尺寸、壓力、網(wǎng)格數(shù)量等。輸出參數(shù)包括質(zhì)量、頻率、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)包括中心組合設(shè)計(jì)、自定義設(shè)計(jì)、優(yōu)化空間填充設(shè)計(jì)、自定義取樣設(shè)計(jì)、初始化稀疏網(wǎng)絡(luò)等。優(yōu)化設(shè)計(jì)中的響應(yīng)面的擬合方法包括二次多項(xiàng)式法、克里格法、非參數(shù)回歸法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和稀疏網(wǎng)絡(luò)法。目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化從給出的一組樣本得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，優(yōu)化算法有篩選法、哈莫斯利算法等。

進(jìn)行ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)探索的基本步驟如圖1所示。建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型主要是創(chuàng)建ANSYS可識(shí)別的參數(shù)化模型，使用ANSYS本身的建模功能即可完成，但目前該功能的操作性還不夠簡便，在使用第三方建模軟件時(shí)必須要與ANSYS進(jìn)行聯(lián)接，否則ANSYS無法識(shí)別優(yōu)化參數(shù)，導(dǎo)致模型無法自動(dòng)更新和重建。建好優(yōu)化模型可導(dǎo)入ANSYS中，在模型處理中選擇需要優(yōu)化的參數(shù)，選擇好后需要進(jìn)入分析選項(xiàng)檢查參數(shù)是否都包含。

模型檢查完畢后，則需對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行水平設(shè)置，用戶可根據(jù)需要設(shè)置優(yōu)化水平，優(yōu)化水平越多，優(yōu)化探索的項(xiàng)目就越多，這將導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的增多，所以用戶可進(jìn)行大范圍優(yōu)化探索，得到優(yōu)化區(qū)間后再進(jìn)行小范圍優(yōu)化探索。更新模型時(shí)ANSYS自動(dòng)進(jìn)入求解，此時(shí)模型將根據(jù)參數(shù)水平的設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行更新，用戶需等待一定時(shí)間，直至求解完畢。

2 ?起重機(jī)車架優(yōu)化探索方向

2.1 車架的優(yōu)化探索

某起重機(jī)車架模型如圖2所示。圖中包括三大優(yōu)化設(shè)計(jì)部分，其中1為前置結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分，2為支撐梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分，3為后置結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分。由于優(yōu)化探索時(shí)，模型處于自動(dòng)更新過程中，所以在沒有較大影響結(jié)果的前提下，應(yīng)適當(dāng)?shù)暮喕Y(jié)構(gòu)，故可將這三大優(yōu)化部分簡化為空心梁結(jié)構(gòu)，將梁的長度、板厚作為優(yōu)化參數(shù)，分析結(jié)果中的應(yīng)力、應(yīng)變、質(zhì)量作為優(yōu)化指標(biāo)，以簡化優(yōu)化模型，提高計(jì)算效率。

2.2 車架優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，工程中對(duì)起重機(jī)的噸位要求越來越大，故對(duì)其機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、重量等的要求也越來越高，超大噸位的起重機(jī)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。噸位的上升，并不意味著機(jī)械結(jié)構(gòu)的線性增大，反而要求機(jī)械結(jié)構(gòu)朝向輕型化、高性能、高效率方向發(fā)展。因此，降低起重機(jī)重量，提高起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)品質(zhì)是未來起重機(jī)的研究和發(fā)展趨勢(shì)。

3 ?結(jié)束語

介紹了ANSYS有限元法及其優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊與優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟。對(duì)某種起重機(jī)車架進(jìn)行了3大優(yōu)化部分的劃分，以空心梁模型簡化優(yōu)化探索模型。提出超大噸位、輕型結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)品質(zhì)優(yōu)良的起重機(jī)是其未來發(fā)展趨勢(shì)。

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