基于ANSYS的港口起重機桁架結構的優化設計

王文志，劉　龍，滕媛媛

（上海海事大學物流工程學院，上海201306）

基于ANSYS的港口起重機桁架結構的優化設計

王文志，劉龍，滕媛媛

（上海海事大學物流工程學院，上海201306）

隨著航運的發展，港口起重機也迅速發展。目前，不僅要求起重機有更高的起重量和起升高度，還要求起重機的重量輕、作業空間大。為了減輕自重、簡化設計方法，應用ANSYS優化模塊提供的一階優化方法對起重機桁架結構優化，優化后起重機自重減小23.2%，質量明顯減小。

桁架結構；ANSYS；優化設計；自重

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.013

0　引言

隨著港口運輸行業的發展，港口起重機的起升高度和外伸梁長度不斷增加，從而質量越來越大，但這對碼頭的承載能力是個巨大的考驗，為了在滿足剛度強度和穩定性的前提下減輕自重，需要對起重機的結構進行優化設計，ANSYS為優化設計提供了比較好的優化方法。在ANSYS優化模塊的幫助下，劉大強［1］等曾對起重機整體金屬結構進行優化；劉成鑫［2］曾對門座起重機的四連桿組合臂架系統進行結構優化；馬玉英［3］對起重船拔桿式起重機臂架結構進行拓撲優化；戚其松［4］等對門式起重機主梁進行優化設計，減重效果明顯。桁架結構由于具有自重輕、造價較低和迎風面積小等諸多優點，廣泛應用于各種工程領域，包括航空航天、橋梁建筑、車輛、起重機械等［5］。

本文基于APDL語言的有限元分析方法，對起重機桁架結構拉桿的外徑、鞍梁的高度和拉桿與梁節點的位置的優化，從而在部分結構上減輕起重機整體自重，并且小車在滿載時壓桿的穩定性滿足要求，得到比較滿意的結果。

1　 ANSYS的優化設計介紹

1.1 ANSYS介紹

ANSYS分析軟件提供了兩種工作模式：人工交互方式（GUI方式）和命令流輸入方式（Batch方式）。人工交互方式對于復雜的有限元模型，由于對模型修改后分析帶來的大量重復操作，占據了大量的時間，有時是計算時間的幾倍。另外，采用GUI方式往往生成大量數據文件，這造成了交流的不便。

APDL允許復雜的數據輸入，使用戶實際上對任何設計或分析屬性有控制權，可以減少大量的重復工作，特別適用于經少量修改后需多次重復計算的場合。同時便于保存數據，建立模型時間短，運算時間短，節省時間［6］。

1.2 ANSYS優化介紹

ANSYS優化具體步驟如下。

（1）生成分析文件：①參數化建模；②加載與求解；③進入ANSYS的后處理模塊。

（2）提取對應參數。在ANSYS結果數據庫里提取與分析文件中變量相對應的參數，一般為狀態變量和目標函數。

（3）進入優化設計處理器，指定分析文件。

（4）聲明優化變量。即指定設計變量（優化對象）、狀態變量（約束條件）和目標函數（質量、面積、體積、應力、費用等）。ANSYS允許有不超過60個設計變量（DV）和不超過100個狀態變量（SV），但只能有1個目標函數（OBJ）。

（5）選擇優化工具或方法。ANSYS提供了兩種優化方法：零階方法和一階方法。這兩種優化方法可以處理絕大多數的優化問題。零階方法（直接法）之所以稱為零階方法是由于它只用到因變量而不用到它的偏導數。零階方法是一個很完善的處理方法，使用所有因變量的逼近，可以很有效地處理大多數的工程問題。一階方法（間接法）基于目標函數對設計變量的敏感程度，使用偏導數，即使用因變量的一階導數。此方法精度很高，設計空間也相對較大，結果精確，但一階方法計算量大。

對于這兩種方法，ANSYS提供了一系列的分析—評估—修正的循環過程。就是對于初始設計進行分析，對分析的結果就設計要求進行評估，然后修正設計。這一循環過程重復進行直到所有的設計要求都滿足為止［7］。

（6）指定優化循環控制方式。每種優化方法和工具都有相應的循環控制參數，如最大迭代次數等。

（7）進行優化分析。所有的控制選項設定后即可進行分析。在優化過程中，優化循環文件（Jobname.LOOP）會根據分析文件生成。循環在滿足下列任一情況時終止∶收斂、中斷（不收斂，但最大循環次數或是最大不可行解數目達到了）、分析完成［8-9］。

2　岸橋桁架結構有限元模型

2.1桁架結構參數

起重機在靜止滿載的情況下，小車在大梁上行走給起重機施加載荷，如圖1。起重機梁跨距為96.3 m，總高為28.4 m，額定承載65 t。桁架結構材料選用Q345鋼，彈性模量為E=205 GPa，由于在計算過程中忽略了筋、螺釘等元件，故設梁的密度為14 000 kg/m3，拉桿的密度為9 000 kg/m3，腿的密度為16 000 kg/m3。強度要求是梁所受的軸應力不能超過其許用軸應力100 MPa，拉桿應力不超過其許用值265.4 MPa，梁上兩個節點之間的最大撓度不能超過這兩個節點距離的1/500。

圖1　起重機桁架結構

2.2參數化建模

在參數化建模過程中，選用beam188單元作為仿真的單元材料。Beam188單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，該單元基于鐵木辛哥梁結構理論，并考慮了剪切變形的影響。Beam188是三維線性（2節點）或者二次梁單元。每個節點有六個或者七個自由度，自由度的個數取決于KEYOPT（1）的值。當KEYOPT（1）=0（缺省）時，每個節點有六個自由度；節點坐標系的x、y、z方向的平動和繞x、y、z軸的轉動。當KEYOPT（1）=1時，每個節點有七個自由度，這時引入了第七個自由度（橫截面的翹曲）。這個單元非常適合線性、大角度轉動和/并非線性大應變問題。當NLGEOM打開的時候，beam188的應力剛化，在任何分析中都是缺省項。建模時，鉸接的地方，在ANSYS中采用耦合重合點并釋放自由度的方法來實現。

2.3約束與施加載荷

該結構在施加約束時，采用比較理想化的約束方法，由于考慮到是在靜止情況下優化桁架結構，故假設起重機大車部位三個自由度完全約束。施加載荷時，剛腿承受固定載荷為10噸，柔腿承受固定載荷為5噸。在優化過程中選取9個的特殊的位置加載分析桁架受力變形情況。將小車自重及貨物的重量通過4個車輪施加4個集中載荷，每個載荷為37.5 kN，這是由于在滿載情況下，小車自重與吊具和滿載起重量之和為150 t。

2.4求解

在計算過程中，先計算一組載荷，提取這組需要數據，然后清空施加的載荷，再施加下組載荷，計算并提取數據，一直進行直至9組計算完畢。優化時利用桁架所承受的支反力與加速度比值獲得質量WT。

3　優化設計的模型

3.1優化變量

優化設計是通過構建優化模型，運用各種優化方法，通過滿足設計要求下的迭代次數，求得目標函數的極值，得到最優設計方案。

其數學模型可表示為：

目標函數：WT=FZ/g

設計變量：7≤H≤15

0.02≤D≤0.074

10≤B≤20

狀態變量：SDi≤100 MPa（i=1，2，3，……，54）

SMAXj≤265.4 MPa（j=1，2，…..9）

DZMAXn≤L/500（L是梁上兩節點的距離）（n=1，2，3，4，5）

其中，桁架系統重量WT為目標函數，用來評價設計方案的優劣，拉桿軸應力SDi、梁的軸應力SMAXj、節點撓度DZMAXn為狀態變量，只有滿足狀態變量的要求的設計才是合理設計。桁架高度H、梁上鉸接點距中心的距離B、拉桿圓管外徑D是設計需要優選參數組成的變量，為設計變量。

3.2優化結果

為了提高優化精度，優化方法采用一階優化，優化前后結果比較如表1。

表1　R優化結果

優化過程的最優解H=7 m，D=86.329 mm，B=16.036 m，WT=518.97 t。

一階算法下目標函數和設計變量的歷程如圖2。

圖2　各變量及質量歷程曲線

3.3壓桿穩定性校核

由于桁架結構的對稱性，在提取拉桿應力的時候選取一半作為研究對象。如圖3，選取桿66，59，58，62，63，68作為研究對象。初始桁架高H=11.3 m，節點距中心的距離B=15.06 m，管的外徑D=0.377 m。

圖3　桁架結構標號圖

由Ansys提取的軸應力可以看出桿件59，63，66，68受壓。當加載在點113，114，134，135節點時，其中桿66的壓應力最大為σ=94.33 MPa。為了校核其穩定性，采用ANSYS屈曲分析。

屈曲分析是一種用于確定結構開始變的不穩定時的臨界載荷和屈曲模態形狀的技術。ANSYS提供了非線性屈曲分析和特征值（線性）屈曲分析兩種方法，特征值屈曲分析即教科書里傳統的彈性屈曲分析方法，非線性屈曲方法比特征值屈曲分析更精確，是實際中更常用的方法。分析66桿的穩定性用特征值法，是線性屈曲分析，主要有兩大步驟：先進行結構靜應力分析，分析時必須將預應力開關打開；然后進行屈曲分析［10］。

在建立模型時，采用beam188單元，分析結果顯示屈曲系數為1 322 700，由于靜力分析時為結構施加的載荷為單位載荷，所以受壓桿臨界壓力為1 322 700 N，其應力為96.5 MPa，與解析解基本一致。由于結構中最大應力為94.33 MPa，故桿穩定。

在加載左側的時候，桿件66承受最大壓應力，當加載右側和中間位置的時候桿件67承受最大壓應力，由于桁架結構的對稱性，桿件66和67具有相同的穩定性系數。當加載113，114，134，135節點時，桿67承受最大壓應力σ= 94.33 MPa。由此可知桿67穩定。綜上可知，桿在小車的運動過程中處于穩定狀態。

4　總結展望

基于有限元軟件ANSYS對桁架結構的優化分析，在滿足桁架結構自身要求的前提下，優化方案比原方案自重減少了23.2%。在小車滿載的情況下，各拉桿在受壓時能夠保持其穩定性，并且梁的剛度符合要求，優化效果明顯。將優化的結果應用于實際，在很大程度上節省了結構的成本和結構設計的周期，使得設計的桁架結構更加的經濟化，合理化和科學化，該種分析桁架結構的優化方法對于其他結構的優化設計具有一定的參考價值。

在優化過程中，將梁和拉桿作了理想化假設，在進步研究工作中要考慮到具體的情況，比如梁上加筋，還有螺栓對梁的影響以及滿足疲勞強度條件。同時，還需要考慮更合適的優化方法，保證優化結果的精度和可靠性。

［1］劉大強，徐洪澤，冷松.岸邊集裝箱起重機結構優化分析［C］.第八屆物流工程學術年會論文集，2008.

［2］劉成鑫.港口門座起重機四連桿組合臂架結構優化設計研究［D］.武漢：武漢理工大學，2013.

［3］馬玉英.大型起重船臂架結構拓撲優化設計研究［D］.天津：天津大學，2007.

［4］戚其松，范小寧，徐格寧，等.基于Ansys的門式起重機主梁優化設計［J］.起重運輸機械，2013（8）：32-34.

［5］魏文儒，屈福政.基于ANSYS的空間桁架結構拓撲優化設計［J］.起重運輸機械，2008（7）：32-34.

［6］張東寶.單梁雙吊鉤門式起重機結構分析與優化設計［D］.西安：長安大學，2011.

［7］張紅松，胡仁喜，康工廷.ANSYS12.0有限元分析從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［8］金梁斌.輥壓自動化傳輸設備橋式起重機吊架力學特性研究［J］.機電工程技術，2014（3）：19-22.

［9］曾志華，虞偉建.ANSYS結構優化技術在機械設計中的應用［J］.現代設計與先進制造技術，2009，13（38）：33-36.

［10］高耀東，李強，張玉寶，等.ANSYS機械工程應用精華60例：第4版［M］.北京：電子工業出版社，2012.

（編輯：阮毅）

Optimization Design of the Port Crane Truss Structure Based on ANSYS

WANG Wen-zhi，LIU Long，TENG Yuan-yuan
（Logistics Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai201306，China）

Port crane is the guarantee of port industry development At present，it not only requires the crane having a higher weight and hoisting height，besides，the port crane weight must be light and the optimize space is large.This optimization design mainly through reduces the weight of crane truss optimization.ANSYS optimization module provides two optimization methods-zero order and first order，which can deal with most questions.Beam axial stress，the deflection of beam and the stability of the pressure rod as state variables of optimization are to be considered in the optimization.Quality as the objective function，reduced greately after optimization.

truss structure；ANSYS；optimization design；self weight

TH215

A

1009-9492（2015）01-0052-04

2014-07-10

王文志，男，1989年生，山東臨沂人，碩士。研究領域：港口機械。