基于ANSYS的動臂塔機起重臂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

賈明偉 張宇飛

摘要：為保證動臂塔機起重臂結(jié)構(gòu)在安全工作條件下質(zhì)量最輕，文章借助APDL語言在ANSYS中建立QTD160型塔機起重臂結(jié)構(gòu)有限元模型，并進行靜態(tài)仿真分析，得出起重臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況及其富余量;以起重臂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計為目標(biāo)，結(jié)構(gòu)橫截面尺寸為優(yōu)化變量，典型工況載荷下結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榧s束，建立了起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，并對其結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化進行迭代計算。迭代結(jié)果顯示，起重臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少538kg，減輕了7.1%，實現(xiàn)了起重臂結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，并且優(yōu)化后的臂架結(jié)構(gòu)強度比優(yōu)化前有明顯提升。分析結(jié)果表明建立的起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型具有可行性為現(xiàn)役動臂塔機結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供了參考。

中圖分類號：TH213.3 文獻標(biāo)志碼 A

關(guān)鍵詞 ：起重臂 ;有限元分析;輕量化設(shè)計

0引言

動臂塔式起重機實現(xiàn)節(jié)能減排的核心問題是減輕塔機結(jié)構(gòu)質(zhì)量，起重臂是塔機的主要受力部件，其輕量化設(shè)計對于整機結(jié)構(gòu)減重至關(guān)重要。動臂塔機起重臂的輕量化設(shè)計是在滿足起重臂起重性能的同時減小臂架結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而降低生產(chǎn)成本[1]。輕量化設(shè)計有2種途徑可以實現(xiàn)，即選取新型高強材料和對結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，前者不僅不能降低生產(chǎn)成本，反而增加工藝成本，因而多采用后者實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計[2]。本文以廣州某公司QTD160塔機輕量化設(shè)計為基礎(chǔ)，以結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)、結(jié)構(gòu)強度為約束，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，基于ANSYS 優(yōu)化平臺選擇合理優(yōu)化算法[3] ，對起重臂進行輕量化迭代計算，并對優(yōu)化結(jié)果進行驗證分析。

1.起重臂結(jié)構(gòu)分析

QTD160型塔機起重臂由6節(jié)標(biāo)準節(jié)組成，其中第五節(jié)長度為5.17m，剩余長度均為10.35m，將結(jié)構(gòu)連接點視為節(jié)點。選擇梁單元beam188，自由網(wǎng)格劃分，得到起重臂結(jié)構(gòu)有限元模型。約束條件依據(jù)起重臂自身位移、旋轉(zhuǎn)動作，即X、Y、Z三個方向的平移和和X、Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，僅釋放Z軸轉(zhuǎn)動。在起重臂超靜態(tài)實驗中載荷取動臂塔機額定起重載荷的1.25倍，分別在幅度55m和幅度20m，計算得到的典型工況載荷與位移，可以得到2種工況下塔機結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果和吊臂危險點位置，靜力學(xué)分析2種工況下應(yīng)力云圖，如圖1所示。

由圖1可以知道，起重臂最大應(yīng)力值125.37MPa，小于材料許用應(yīng)力值233.1MPa。該型起重臂結(jié)構(gòu)可以進行輕量化設(shè)計，以減輕整機自重。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型建立與求解

2.1優(yōu)化模型建立

起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化是要實現(xiàn)優(yōu)化模型中設(shè)定的多個參數(shù)指標(biāo)同步最優(yōu)[4]，以結(jié)構(gòu)尺寸為優(yōu)化設(shè)計參數(shù)起重臂輕量化為目標(biāo)建立優(yōu)化模型 。根據(jù)起重臂結(jié)構(gòu)特點確定設(shè)計變量，分別取起重臂結(jié)構(gòu)中斜腹桿內(nèi)徑尺寸R1 和外徑尺寸R2、直腹桿內(nèi)徑尺寸E1 和外徑尺寸E2 以及懸桿角鋼厚度的4個尺寸（T1、 T2 、T3 、T4），參考結(jié)構(gòu)原始尺寸確定變量區(qū)間根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果 ，建立優(yōu)化函數(shù)為 ：

其中 為結(jié)構(gòu)質(zhì)量;ρ為密度; 為結(jié)構(gòu)體積， 為設(shè)計變量即結(jié)構(gòu)尺寸。建立2個狀態(tài)變量即應(yīng)力變量S和位移變量 D，則對應(yīng)的應(yīng)力約束條件為

其中， 為最大等效應(yīng)力; 為第 i個節(jié)點等效應(yīng)力 ;[S]為材料許用應(yīng)力。對應(yīng)的位移約束條件為 ：

其中， 為最大位移變形量; 為第 i個節(jié)點處位移變形量 ;[D]許用位移變形量。

2.2模型求解

采用ANSYS中的Design Opt優(yōu)化設(shè)計部分，選用一階法對起重臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，目標(biāo)函數(shù)值的變化曲線如圖2所示，在優(yōu)化過程中設(shè)計變量的變化如圖3 所示 。

對起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化可得：① 尺寸R1 和R2 分別增大5.5%和6.8% ，T2和T4分別減小2.9%和6.1%② 起重臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了538kg減重7.1%實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

3.優(yōu)化后模型驗證

按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸，修改原模型尺寸，施加載荷和約束，靜力學(xué)分析應(yīng)力，優(yōu)化后最大應(yīng)力值為150.8MPa，比優(yōu)化前增加25.4MPa，遠小于材料許用應(yīng)力值233.1MPa。 QTD160動臂塔機起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的尺寸是安全的，有效利用了材料的強度性能減輕了整機自重，實現(xiàn)了輕量化設(shè)計。

結(jié)論：

通過對QTD160動臂塔機起重臂進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得到如下結(jié)論 ：

（1）在ANSYS采用直接法建立起重臂結(jié)構(gòu)有限元模型，通過靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，起重臂結(jié)構(gòu)在典型工況載荷下的強度富余量過大，可以進行輕量化設(shè)計，以減輕整機自重。

（2）以起重臂質(zhì)量最輕設(shè)計為目標(biāo)，建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 ，優(yōu)化結(jié)果為起重臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少 538kg，比原質(zhì)量減輕7.1% ，實現(xiàn)了輕量化設(shè)計的目的。

（3）優(yōu)化結(jié)果表明，本文結(jié)合有限元分析技術(shù)建立的起重臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型具有可行性 ，為現(xiàn)役年代久遠動臂塔式起重機結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供了一種切實可行的參考方法。

參考文獻

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[2]王平， 鄭松林， 吳光強. 基于協(xié)同優(yōu)化和多目標(biāo)遺傳算法的車身結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計[J]. 機械工程學(xué)報， 2011（02）：102-108.

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[4]崔少杰， 范順成， 張順心，等. 動臂塔式起重機整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究[J]. 制造業(yè)自動化， 2015， 000（005）：84-86.

作者簡介：賈明偉，（1983.06--）;男，籍貫：吉林扶余人，學(xué)歷：碩士，現(xiàn)有職稱：中級工程師。