基于APDL的龍門吊結構優化設計

朱成 翟保進

摘 要：龍門式起重機適用于港口碼頭、修造船廠、貨場、車間和施工工地等，應用十分廣泛。本文以20t單主梁電動葫蘆龍門吊為例，運用ANSYS提供的APDL語言進行參數化建模，并進行結構優化設計，最終確定龍門吊各主要截面的尺寸及板厚，并使整機在滿足安全和使用要求的情況下自重最輕，闡述了一種龍門吊的優化設計方法和過程。使用此方法不但大大減少了設計工作量和工作時間，使設計效率明顯提高，而且使龍門起重機的結構更加優化合理。

關鍵詞：APDL；龍門吊；結構優化設計；ANSYS

1.概述

龍門式起重機（以下簡稱龍門吊）在工業和制造等領域中廣泛使用，但由于貨種、作業場地、作業效率、用途的不同，導致龍門吊的設計有較強的單一性和不可重復性，因此設計師一般需要根據業主的需求專門定制設計。

目前，龍門吊金屬結構設計廣泛采用ANSYS有限元分析軟件輔助計算，采用“方案設計→分析計算→修改方案→分析計算→……→確定最終方案”的常規設計流程，此種方法不僅耗費大量的時間和人力用于修改計算模型上，而得出的最終結果還不一定是最優解。

APDL語言可通過設計參數的調整，自動完成上述循環過程，并進行優化設計，從而減少修改模型和方案以及重新分析計算所花的時間，達到提高設計效率和設計最優化的目的。

2.建立有限元模型

本文舉例的龍門吊主要用于造船廠小型分段的吊裝作業，主要技術參數見表1：

龍門吊結構采用beam188單元建模，含有5個典型箱型截面，其中四個支腿采用變截面梁。因截面尺寸和板厚為優化設計的設計變量，因此在建模時需要用代號表示各設計變量，并給出設計變量的初始值。建立的有限元模型見圖1。

3.加載和求解

為簡化分析過程，模型按兩種最危險工況計算：

工況一：在跨度中間起吊額定載荷；

工況二：在最大懸臂端起吊額定載荷。

因為用梁單元模擬設計結構，缺少橫隔板、焊縫、縱筋和法蘭等對自重的影響，因此計算時采用加大重力加速度的方法彌補其影響，根據經驗本例施加1.3倍的重力加速度。

4.后處理

ANSYS優化設計有三種變量，設計變量、狀態變量和目標變量。

三種變量中的狀態變量和目標變量需要在后處理中獲得數據，本例中結構應力和下撓值為狀態變量，模型總體積（可換算成重量）為目標變量。

狀態變量值和目標變量值的獲取如下：

5.優化程序

在ANSYS優化程序中最多可定義60個設計變量，且需要定義設計變量的取值范圍和公差，盡量少的設計變量、合適的取值范圍和公差能使優化計算快速收斂，因此可根據實際把設計變量合并，并使各個設計變量的取值可根據經驗盡量取一個稍小的范圍。

ANSYS優化設計的公差用戶可自行輸入也可用系統默認值，結合本例及生產實際，對梁高和梁寬的公差取值為50，對板厚的取值為2。設計變量定義如下：

考慮到本龍門吊工作級別和載荷分布情況，以及使用材料，取結構許用應力為176MPa，跨中許用下撓為S/750（S為跨度），懸臂端許用下撓為L/350（L為有效懸臂長）。狀態變量定義如下：

本例優化目標為龍門吊的總重量，因重量與體積成比例，因此直接選擇總體積為目標函數。定義目標變量如下：

OPVAR，VOLUME，OBJ

6.優化方法的選取和控制

在ANSYS中，系統支持零階和一階兩種優化方法，這兩種方法能解決絕大多數的優化問題。為比較兩種優化方法的優化效果，對本例采用兩種優化方法進行分析。分析結果見表2。

從以上結果可以看出，一階優化方法的目標變量（VOLUME總體積）較小，優化效果更好。優化結果對設計變量的取值與實際情況有較小出入，所以需對各參數進行取整。因采用的是參數化的建模方法，因此只用把設計變量更改為取整后的數值，即可完成對整機的分析。

7.總結

采用此方法進行龍門吊設計，只用輸入較少的幾個主要參數值，就能得到各個截面的參數，大大降低了傳統設計方法修改方案和修改模型的時間，而且是最優的結果，尤其在方案設計階段，其高設計效率和高設計質量的特點更為突出。

8.后期工作展望

本例采用的是最簡單的單主梁龍門吊，代表了一種龍門吊優化設計的思路和方法。后期工作重點是對所有型式的龍門式起重機均采用此種優化方法，并與VB等軟件相結合，提供更加友好的人機界面，設計出一款通用龍門吊優化設計軟件。

參考文獻：

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