基于ANSYS的造橋機(jī)箱型主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王家勝，靳 康

(華北水利水電大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450000)

造橋機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于橋梁道路施工的可移動(dòng)的混凝土澆筑設(shè)備。造橋機(jī)具有效率高、速度快、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。主梁是造橋機(jī)的關(guān)鍵承重部件，其結(jié)構(gòu)安全與否直接影響澆筑質(zhì)量。同時(shí)要對(duì)造橋機(jī)進(jìn)行整體減重，對(duì)主梁進(jìn)行輕量化優(yōu)化是必要的，這不僅可以降低經(jīng)濟(jì)成本，還可以為主梁結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供參考。

1 參數(shù)優(yōu)化

參數(shù)化設(shè)計(jì)的原理是利用建模軟件建立產(chǎn)品的數(shù)據(jù)仿真模型，并把特定的因素信息設(shè)為能夠編輯修改的變量參數(shù)，通過對(duì)特定的可變參數(shù)進(jìn)行限制即設(shè)置約束條件，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助計(jì)算，使分析過程在約束條件下自動(dòng)運(yùn)行，從而得到一系列的衍生品模型[2]。數(shù)據(jù)化的模型便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行修改和調(diào)試，可以節(jié)省大量的時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率，能夠有效地控制生產(chǎn)成本，避免重復(fù)生產(chǎn)調(diào)試的材料損耗。

計(jì)算機(jī)硬件的更新?lián)Q代及分析算法的不斷優(yōu)化，極大提高了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力，可以極快完成大量數(shù)據(jù)方案的分析，并挑選出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[3]。

2 分析方案

利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化，利用循環(huán)迭代算法，連續(xù)迭代優(yōu)化變量數(shù)值，最終得出箱型主梁結(jié)構(gòu)尺寸的最優(yōu)解。在迭代過程中，將最大許用應(yīng)力和最大變形量設(shè)置為約束條件[4]。

利用ANSYS經(jīng)典版軟件平臺(tái)，借助于APDL程序語言，對(duì)主梁的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。初步優(yōu)化方案如下：借助APDL命令流，建立移動(dòng)模架的有限元分析模型(完成網(wǎng)格劃分)，在求解器中，完成靜力分析，之后在后處理模塊中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置；利用優(yōu)化分析模塊提取分析數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)選擇和變量選取以及數(shù)據(jù)交互迭代過程。移動(dòng)模架主梁優(yōu)化分析方案如圖1所示。

圖1 移動(dòng)模架主梁優(yōu)化方案圖

3 主梁優(yōu)化

造橋機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)形式屬于上下雙層高腹板箱梁，主梁重量在造橋機(jī)整體中占比較大，文章借助ANSYS語言，在不改變主梁長度尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)箱梁截面的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化。將模型計(jì)算結(jié)果的強(qiáng)度和剛度數(shù)值，設(shè)定為此次主梁優(yōu)化分析的約束條件[5- 7]。

3.1 設(shè)計(jì)變量

通過變量參數(shù)的迭代修改，可以取得不同的分析結(jié)果。本項(xiàng)目以主梁原始截面尺寸及板厚為初始變量，進(jìn)行迭代計(jì)算。在計(jì)算過程中，只考慮主梁整體結(jié)構(gòu)，局部加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)在本次優(yōu)化分析中暫不考慮；利用截面積等效累加的方法，將主梁上下蓋板的整體加強(qiáng)板和滑道等結(jié)構(gòu)的截面面積等效累加于相連的結(jié)構(gòu)部位[8- 9]。

移動(dòng)模架的主梁分為3節(jié)，每節(jié)主梁包含上下兩部分的箱型梁結(jié)構(gòu)，并通過立柱進(jìn)行連接，在本次優(yōu)化分析中，設(shè)計(jì)變量參數(shù)主要是主梁矩形截面長寬尺寸及各板厚度等數(shù)據(jù)，變量參數(shù)的分布情況如圖2、圖3所示。

圖2 箱型主梁截面示意圖(單位：mm)

圖3 箱型主梁參數(shù)變量分布

3.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)(Object Function，OBJ)指的是程序分析迭代完成后，要完成的任務(wù)需求。本次主梁優(yōu)化過程就是將箱型主梁的總重量選為目標(biāo)函數(shù)，同種材料中要求結(jié)構(gòu)重量最輕也就等同于結(jié)構(gòu)體積最小，因此，本次分析選取的目標(biāo)函數(shù)是主梁的總體積即程序中VOLUME值。

3.3 狀態(tài)變量

狀態(tài)變量指的是在程序分析迭代時(shí)，變量參數(shù)的可修改范圍，即約束條件。對(duì)于本次主梁分析，主要是最大應(yīng)力和最大變形兩個(gè)數(shù)據(jù)，所以約束函數(shù)設(shè)置如式(1)和式(2)所示。

SEQV≤250MPa

(1)

UYmax≤[UY]=125mm

(2)

式中，SEQV—主梁最大總應(yīng)力，MPa；UYmax—主梁豎直方向最大變形量，mm；UY—豎向變形量，mm。

完成整體模型的有限元靜力分析后，利用GET函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的調(diào)用，并把調(diào)取的數(shù)據(jù)，重新設(shè)置為狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)值，進(jìn)行下一次迭代計(jì)算。本次移動(dòng)模架箱型主梁優(yōu)化分析計(jì)算中，目標(biāo)函數(shù)選定為主梁的總體積，狀態(tài)變量選定為移動(dòng)模架箱型主梁的總應(yīng)力值和位移極值。

4 箱型主梁迭代分析結(jié)果

利用零階優(yōu)化算法，完成移動(dòng)模架箱型主梁的輕量化分析設(shè)計(jì)，最大迭代次數(shù)設(shè)置為65次，本次分析一共進(jìn)行了42次計(jì)算即達(dá)到收斂條件，最優(yōu)方案出現(xiàn)在第35次計(jì)算中，其分析數(shù)據(jù)對(duì)比見表1、表2。

表1 主梁優(yōu)化參數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)表

表2 主梁位移、應(yīng)力、體積參數(shù)優(yōu)化對(duì)比表

由表1及表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，主梁高和寬度值變化范圍較小，因此對(duì)于一號(hào)和二號(hào)主梁可以減少上蓋板和腹板厚度。整體優(yōu)化分析過程的變化趨勢(shì)如圖4、圖5所示。

圖4 主梁體積變化迭代趨勢(shì)圖

由圖4和圖5明顯可以看到主梁的總體積是逐漸下降的，主梁的位移極值和應(yīng)力極值在上下起伏，并逐漸收斂。因此在主梁選擇最優(yōu)迭代設(shè)計(jì)方案時(shí)，主梁應(yīng)力極值Smax=242.2MPa，主梁位移極值Dmax=112.1mm，此時(shí)體積為0.149×1011mm3，比初始體積降低了大約11.6%，在滿足主梁強(qiáng)度及剛度使用要求的前提下，有效降低了材料的使用，可以明顯減少主梁的生產(chǎn)成本。

按照主梁優(yōu)化參數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)表，對(duì)表格尺寸數(shù)據(jù)處理后，重新進(jìn)行移動(dòng)模架仿真模型的有限元分析。主梁原重約282t，優(yōu)化后重量下降約32.6t，減重占比11.56%。

優(yōu)化后造橋機(jī)滿載工況如圖6、圖7所示，最大應(yīng)力為235.6MPa，位置在前主支腿上，變形極值為252.9mm。優(yōu)化后主梁應(yīng)力云圖如圖8所示，此時(shí)優(yōu)化后的主梁應(yīng)力極值是221.3MPa，優(yōu)化后主梁豎直向變形圖如圖9所示，豎直向的最大變形為-132.5mm。主梁選用的材料是Q345B，其許用應(yīng)力250MPa，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖6 優(yōu)化后造橋機(jī)筑梁滿載應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后造橋機(jī)筑梁滿載變形云圖

圖8 優(yōu)化后主梁應(yīng)力云圖

圖9 優(yōu)化后主梁豎直向變形圖

5 小結(jié)

(1)文章采用零階優(yōu)化算法對(duì)造橋機(jī)主梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)：通過對(duì)主梁幾何尺寸循環(huán)迭代，在保障剛度和強(qiáng)度的前提下，篩選出更能發(fā)揮材料性能的結(jié)構(gòu)尺寸，優(yōu)化后主梁減重約11.56%。

(2)利用優(yōu)化尺寸對(duì)造橋機(jī)整體模型進(jìn)行有限元計(jì)算分析，優(yōu)化后主梁的應(yīng)力極值是221.3MPa，變形極值為-132.5mm；在此工況下，移動(dòng)模架的強(qiáng)度和剛度都能夠滿足材料的設(shè)計(jì)使用要求，所以主梁的優(yōu)化參數(shù)是可取的。

(3)通過箱型梁優(yōu)化分析的案例，ANSYS有限元分析軟件的便捷性和實(shí)用性得到了充分發(fā)揮，并對(duì)類似箱型梁結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)具有借鑒意義。