基于ANSYS Workbench的內門架優化設計

孟 琨, 劉曉立，于治福, 范進楨, 張 松

(1.河北工程大學 機電學院， 河北 邯鄲 056038； 2.寧波職業技術學院， 浙江 寧波 315800)

1內門架三維模型的建立

起吊設備內門架主要由立柱、上橫梁、下橫梁、滾輪軸及頂塊組成。本文采用Solidworks軟件對內門架進行三維參數化建模，建模過程忽略對分析結果影響很小的倒角，以減少分析時的計算量，節約時間[3]。設定的尺寸參數為立柱腹板高度一半DSD1，立柱翼緣板寬度DSD2，立柱翼緣板厚度 DSD3，立柱腹板厚度DSD4。

2內門架有限元分析

2.1建立有限元模型

將內門架三維模型導入ANSYS Workbench后，首先賦予其材料屬性[4]。內門架采用材料16Mn，其彈性模量E為2.06×1011Pa，泊松比μ為0.3，密度ρ為7 850 kg/m3，屈服強度為345 MPa，取安全系數2.5。然后對其進行網格劃分，本文采用ANSYS Workbench默認的自由網格劃分方法進行初步網格劃分，再對局部進行細化，總計生成24 614個單元，53 131個節點。

2.2施加載荷及約束

在工作過程中，當叉架承載著額定載荷的物體起升至最大起升高度，此時為最危險工況。針對內門架在最危險工況時的狀態，對叉架的上下滾輪與內門架翼緣接觸區域施加9 321 N的力，對兩個上滾輪軸施加Y方向位移約束，對兩個下滾輪軸施加全自由度約束。施加載荷及約束后的模型如圖1所示。

2.3結果分析

經求解，得到內門架等效應力云圖如圖2(a)所示，最大應力出現在上滾輪軸與內門架立柱連接處，大小為120.42 MPa，則安全系數為2.86；等效位移云圖如圖2(b)所示，最大位移出現在內門架頂端，大小為3.81 mm，而許用撓度為10 mm，均滿足設計要求。

3內門架優化設計

3.1確定目標函數

為了實現內門架在減少質量以達到提高經濟效益的同時，靜態性能不降低的目標，現以立柱截面尺寸為設計變量，強度、剛度為約束條件，內門架質量最小為目標進行優化設計。

3.2優化尺寸靈敏度分析

通過靈敏度計算各優化尺寸對響應的導數，明確結構響應對優化尺寸的敏感程度，可確定優化尺寸對內門架各性能參數影響的大小，并將靈敏度較大的尺寸作為最終的優化尺寸即輸入參數進行優化，可提高優化效率[5]。

由圖3可得，內門架質量隨著4個優化尺寸的增大而增大，剛度隨著4個優化尺寸的增大而減小，而優化尺寸對強度的影響正負不一，其隨著DSD1、DSD3、DSD4增大而減小，隨著DSD2增大而增大[6]。通過分析，4個優化尺寸對內門架質量、剛度、強度的影響因子均較大，因此作為最終的優化尺寸進行優化，不再刪減。

3.3輸入參數響應

現以保持立柱翼緣板寬度和厚度不變為例，觀察立柱腹板高度和厚度對內門架質量、剛度及強度的響應，如圖4所示，其余變量的響應均類似，不再贅述。從反映輸入參數與輸出參數的響應曲面可知，內門架質量與強度、剛度呈現制約關系，隨著立柱腹板高度和厚度的減小內門架質量也相應減小，但是其剛度和強度會隨之增大[7]，這也驗證了優化尺寸靈敏度分析的正確性。由于不可能出現三者同時達到最小的目的，現以減少內門架質量為優先優化目標進行優化設計。

Analysis on the characteristics of the water burst in the construction period of the

3.4優化設計

ANSYS Workbench中的Design Explorer模塊作為一種快速優化工具，采用實驗數據法(即DOE法)，根據需要優化的參數的數目，通過蒙特卡羅抽樣技術，采集設計參數，計算每個樣點的響應結果，并可利用二次插值函數構造設計空間的響應面云圖或響應曲線，從而實現多目標優化[8-9]。

優化過程中，參數DSD1初始值為66.5 mm，設定變化范圍為60～75 mm；參數DSD2初始值為50 mm，設定變化范圍為44～55 mm；參數DSD3初始值為16 mm，設定變化范圍為12～17 mm；參數DSD4初始值為12 mm，設定變化范圍為9～13 mm。設定樣本數為5 000。按照設定的優化目標，Design Explorer將會產生候選的優化設計點，將其中一組最優設計點作為正式設計點，并按該設計點的尺寸對原有模型進行再生[10]，對新生成的內門架模型進行有限元分析，優化前后各參數數值對比如表1所示。

表1內門架優化前后參數對比

名稱優化前優化后DSD1/mm66.574.88DSD2/mm5044.29DSD3/mm1614.07DSD4/mm129.44最大等效應力/MPa120.42111.98最大等效位移/mm3.813.55質量/kg97.8886.14

由表1可以得出，優化后的內門架在質量減少12%的情況下，最大等效應力降低了7%，最大等效位移降低了6.89%。在滿足設計要求的前提下實現了優化目標，優化效果良好。

4結論

(1)內門架的強度滿足設計要求，但在滾輪軸獨柱連接處以及腰板外側與翼緣板外側連接處存在應力集中現象，影響其疲勞壽命。在改進設計中，可通過材料力學性能的提示加以解決。

(2)內門架自下而上其位移變形量逐漸增大，在頂端達到最大值。雖然滿足設計要求，但為了使其工作時更穩定、安全，可通過將橫梁的布置高度提高或增加橫梁數目等措施來增強內門架的剛度。

(3)優化后的內門架在質量減少12%的情況下，最大等效應力降低7%，最大等效位移降低了6.89%。

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