基于ANSYS的工程機械鋼結構優化設計分析

劉常

摘要：文章介紹了工程機械鋼結構的設計特點，并且結合有限元分析的基本思想以及物理力學等基本理論，對工程機械鋼結構的設計與結構優化時的性能要求進行了細致分析，并且重點研究了工程機械鋼結構在使用過程中對強度、剛度等方面的要求。

前言

隨著社會和經濟在不斷的進步和發展，人口的增加以及農村人口向城市流動以及公路的擴建，就會要求住房不斷的增加以及不斷增加的公路橋梁等工程的建設，在建房和公路橋梁的建設的過程中就會需要使用大量的工程機械進行建設和工作。而工程機械大都是由鋼結構制造的，而目前大多數的鋼結構的形狀和尺寸都是根據計算的結果，在計算的計算上乘以一個安全系數就得出所用鋼結構的形狀形式和尺寸的大小。由于資源的短缺各個國家和企業都會考慮提高材料的利用率，這就需要設計合理的結構，在達到使用功能的基礎上減少材料的使用，從而使整個設備的質量降低，也節約了設備的能源消耗量。為了減少使用不同種類的鋼結構進行實驗的費用，我們可以使用仿真軟件ANSYS對不同的工程機械機構進行仿真，最后得到工程機械鋼結構的最優化。

1. 設計工程機械鋼結構的特性要求

我國最近幾年的發展非常的額迅速，不管是住房還是道路橋梁的建設都在快速的發展中，這就需要使用機械設備來進行施工，在施工中的設備全部稱為工程機械。我們都知道工程機械主要是由鋼結構、液壓和電氣控制部分和動力控制部分構成。我們使用工程機械中最常見的架橋機最為對象進行研究，架橋機中最重要的機構就是鋼結構，并以天車作為整個設備的傳動部分，也是利用液壓控制系統和電氣控制系統聯合使用的，架橋機的鋼結構類似于人類的骨骼，是架橋機完成施工的最重要的結構，鋼結構是否能夠滿足使用要求和安全要求是影響整個作業安全性和人員安全性的重要因素，所以我們要對整個架橋機的鋼結構進行受力性能分析。在架橋機工作時先將混凝土梁運到制定的地方，然后通過架橋機的液壓控制系統和電氣控制系統來控制架橋機的鋼結構部分將混凝土梁抬放到相應的位置，在這個工作工程中鋼結構的安全性是非常重要的，如果鋼結構的質量不合格不僅會造成財產的重大損失還會造成工作人員的重大傷亡。但是一味的最求鋼結構的安全性就會造成剛接后的尺寸變得很大，從而增加了鋼結構的重量和浪費了鋼材料，也會間接地增加驅動架橋機所需要的能源和動力資源，這對資源匱乏的今天是不可取的。為了在保證鋼結構安全使用性能的基礎上，減少鋼機構的重量和鋼材料的使用，我們就要對工程機械的鋼結構進行優化處理，這樣才能設計出既滿足力學性能要求，又能減少資源的使用和節約能量的目的。為了減少實驗的曾本，可以使用有限元對鋼結構進行設計，并使用ANSYS軟件對鋼結構進行優化。

2. 結構優化時的有限元分析

對于一些結構特別復雜的鋼結構我們使用普通的方法不能準確的計算出構件中任意地方的應力，這時我們就要使用有限元的方法對構件各部分的應力和應變進行計算，從而得到較為準確的應力和應變以及安全系數，進而判斷鋼結構的安全性和可靠性。隨著計算機的發展和有限元的仿真軟件的快速發展，計算機仿真軟件基本上可以取代人工計算了，這樣只需確定鋼結構的初始條件和邊界條件就能對鋼結構進行有限元仿真。

還是以架橋機為研究對象進行分析和仿真，首選我們可以根據鋼結構的形狀和尺寸利用物理建模軟件進行物理建模，例如常見的UG、SolidWorks進行物理建模，然后在把建好的物理模型導入ANSYS軟件，在仿真軟件中對建好的模型進行網格劃分，在定義鋼結構的材料，以及添加鋼結構的受力和約束等邊界條件，將所有的邊界條件都定義完后，就可以定義我們所要觀察和顯示的各個應力、應變等模塊，將上述都完成后就可以對該模型進行有限元計算了，當計算完后，我們就可以查看應力云圖和應變云圖，就可以得出鋼結構中任意位置的應力和應變，也可以判斷這個鋼結構是否符合和滿足力學性能要求。

3. 基于ANSYS 參數化設計語言

3.1在上一節中我們講的都太籠統了，對于鋼結構怎樣建立物理模型也是一個比較復雜的問題，在這個過程中會涉及到很多的參數設置。在機械鋼結構設計時，要盡量設計一種滿足性能又使用較少的鋼材的結構，因為里面的桿件和梁的數量比較多，各個構件的尺寸的設計也是多種多樣的，這也就使物理模型的參數設定變的非常的多樣化。然后根據鋼結構里面構件的各種參數建立各種物理模型。

3.2在對鋼結構進行有限元分析的時候，對鋼結構進行單元類型的選擇也是非常重要的。在ANSYS仿真軟件中存在非常多的單元類型，并且在最近幾年的發展過程中單元的種類也在不斷的增加和完善。我們再利用ANSYS仿真軟件進行仿真時要盡可能的選用簡單的單元類型來達到我們的目的，這樣可以減少很多的計算量。我們在對工程機械的鋼結構設計時，要在保證使用功能和安全性能的基礎上，盡量的對結構進行優化，這樣會降低鋼結構的重量，節省鋼材的消耗，降低制造工程機械的成本，同時也會減少能源的消耗。所以，可以利用ANSYS仿真軟件的一些語言對鋼結構的最佳截面形狀和尺寸進行優化，并且還能滿足工程機械的正常工作，能夠滿足鋼結構的穩定性和可靠性。也可以說，優化目標就是鋼框架結構桿件截面的優化。在實現截面優化后即可達到結構材料最省、造價最低和方便加工的優化目標。

4. 結論

住房不斷的增加以及不斷增加的公路橋梁等工程的建設，在建房和公路橋梁的建設的過程中就會需要使用大量的工程機械進行建設和工作。目前，我國的資源處于比較匱乏的時期，所以我們要優化工程機械的結構，盡量的較少工程機械鋼結構的鋼材使用量，這樣才能減少資源的浪費。我們使用ANSYS仿真軟件對各種設計方式的鋼結構進行了有限元分析和仿真，得出了最優化的鋼結構，這樣就較少了鋼結構的重量，較少了工程機械的成本，也達到了資源和能源的節約。

5. 參考文獻：

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