基于ANSYS的起重機若干結構部件的優化設計

邱正勛

山東萬斯達集團有限公司，山東 濟南 250014

ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。利用ANSYS有限元軟件包，工程技術人員可以建立零部件、產品以及結構等的三維模型，通過設計參數進行模擬計算，檢驗設計對象是否符合要求。這樣一來，ANSYS能夠幫助設計人員有目的開發產品，減少材料浪費、制造成本和設計時間，提高了設計效率和新產品的質量。

1 ANSYS的實體建模

一旦定義了材料特性，在分析中下一步是建立能夠恰當反映模型幾何性質的有限元模型。模型建立方法：1）直接生成法；2）實體建模法：幾何模型+網格劃分。

建模原則：建立有限元模型時，對于結構形勢復雜，而對于要分析的問題來講又不是很關鍵的局部位置，在建立幾何模型時可以根據情況對其進行簡化，以便降低建模難度。

建模方法選擇：

1）直接生成方法必須直接確定每個結點的位置，以及每個單元的大小、形狀和連接關系，工作量大。直接生成法法適用于小型簡單模型。缺點是改變網格和模型十分困難，易出錯。當模型復雜時，直接生成法叫人無法忍受。

2）實體模型法是先生成幾何模型，在進行網格劃分，相對來說容易些，適用于龐大而復雜的模型，特別是三維實體模型，它比直接生成法更加有效和通用，是一般建模的首選方法。其優點是便于幾何上的改進和單元類型的改變，容易實現有限元模型的生成；缺點是在某些條件下ANSYS可能不能生成有限元網格。

3）實體建模中的幾何模型的生成方法。對于不太復雜的模型，可以直接ANSYS的實體建模工具完成[Main Menu]Preprocessor/Modeling，如果模型過于復雜，可以考慮在專用的CAD中建立結婚模型，然后通過ANSYS提供的接口導入模型，導入方法：[Utility Menu]File/Import

ANSYS支持的接口通常包括以下類型：IGES、CATIA、Pro/E、UG、SA等。

同時，ANSYS軟件中還具有參數化建模的功能，對一些型式比較固定的模型使用參數化建模，僅通過修改幾個參數就能完成模型的修改和重算設計效率極高。但該法在比較復雜的模型中使用效果不好。

2 優化設計的基本概念

所謂“最優設計”，指的是一種方案可以滿足所有的設計要求，而且所需的支出(如重量、面積體積、應力、費用等)最小。也就是說，最優設計方案就是一個罪尤效率的方案。

設計方案的任何方面都是可以優化的，實際上，所有可以參數化的ANSYS選項都可進行優化設計。這些參數統稱為優化變量，具體分為設計變量、狀態變量和目標函數：

設計變量為自變量，優化結果的取得就是通過改變設計變量的數值來實現的。每個設計變量都有上下限，它定義了設計變量的變化范圍。狀態變量是約束設計的數值。它們是“因變量“，是設計變量的函數。狀態變量可能會上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或只有下限。目標函數是要盡量減小的數值。它必須是設計變量的函數，也就是說，改變設計變量的數值將改變目標函數的數值。

3 設計實例

3.1 定柱式懸臂起重機的優化設計

選擇好設計變量后，用這些設計變量作為參數建立模型。這個工作在前處理器PREP7中完成。由于一開始是選用GUI交互方式建立的起重機機械結構的有限元模型，因此將ANSYS的LOG文件作為基礎來建立優化模型。分析文件應當覆蓋整個分析過程并且是簡練的，為提高優化效率，要去掉與優化分析本身無關的命令。模型的簡化過程保持計算偏差8%以內。提取簡化模型中的節點、單元、形參、單元類型等信息，控制單元數目，生成優化文件。

選擇結構的強度以及橫梁的剛度作為狀態變量，選取機械結構的重量作為目標函數，通過改變設計變量，在滿足應力強度以及橫梁下撓度剛度的條件下，對機械結構的重量進行最小優化設計。

現將優化設計與傳統設計結果對比按強度與剛度水平進行評價，結果見表1。

表1

通過表1的數據對比表明:基于ANSYS分析而優化的產品，較好地協調了旋臂起重機結構各部件的力學性能，合理地匹配了各結構部件的尺寸，盡量地提高了材料的利用率，達到經濟性和可靠性的良好匹配。

3.2 橋式起重機主梁優化設計

主梁結構優化的過程中，結構輕量化是主要目標，主要約束條件（即狀態變量）是構件的最大應力和撓度。根據前述對主梁的結構分析結果，取各板材的厚度δi為設計變量。

定義8個優化設計變量A={δ1，δ2…δ8}，分別對應主梁各構件板材的厚度。強度和剛度是最基本的2個指標，本文中即以這2個指標作為約束，應力約束的范圍取材料的許用應力即176MPa，撓度范圍為[0，37.5mm]。主梁體積最小為目標函數.

應用ANSYS自帶的優化模塊進行優化設計，結果表明：1）主梁減重1727kg，占原設計總重的13.6%，優化效果明顯；2）優化后強度和剛度性能仍滿足要求；3）除主梁中部構件應力較大之外，其余構件還有一定的強度儲備，如進一步采用形狀優化或拓撲優化的方法，重量還可以進一步減輕，應力分布還可以更加合理，更有利于材料的充分利用；4）通過本文對橋式起重機主梁的仿真設計，設計者可在起重機主梁研制出來之前對主梁應力和變形以及穩定性有一個較為準確的了解。

4 結論

結構設計中，以ANSYS作為設計工具，針對不同的結構形式采用靈活的模塊組合能顯著提高設計效率和質量。ANSYS是設計中有效簡便的工具，級大地縮短了設計周期和設計成本，對于提高設計能力有現實意義。優化結果已應用于工程實踐，并取得了良好的經濟效益。

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