基于APDL的起重機(jī)桁架式吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

    前者校核主弦管與腹管的強(qiáng)度及單肢穩(wěn)定性，后者校核吊臂系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

 

    利用Ansys命令修改工具條并添加快捷功能按鈕，單擊按鈕即可執(zhí)行與之相對(duì)應(yīng)的宏或命令。通過(guò)快捷功能按鈕建立模型、劃分網(wǎng)格、添加約束并求解，進(jìn)而對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)*長(zhǎng)吊臂起臂工況進(jìn)行求解并得到優(yōu)化解，將此優(yōu)化解代入*大吊重工況中重新建模求解。若求解結(jié)果符合所有約束條件，則此優(yōu)化解為*優(yōu)解；否則，應(yīng)該重復(fù)上面的優(yōu)化求解過(guò)程，*終得到*優(yōu)解。

 

    1建立數(shù)學(xué)模型選取起重機(jī)吊臂的主弦管和腹管的外徑，壁厚為設(shè)計(jì)變量。

 

    設(shè)計(jì)變量：x=T目標(biāo)函數(shù)：/⑴“疋抑廠(chǎng)一）+（22其中：r2―分別為主弦管和腹管外徑（半徑），2分別為吊臂根部臂節(jié)、中間臂節(jié)以及頂部臂節(jié)的主弦管壁厚和腹管壁厚；/3，/4―分別為吊臂根部臂節(jié)和頂部臂節(jié)的主弦管總長(zhǎng)度、中間臂節(jié)的主弦管總長(zhǎng)度、吊臂根部臂節(jié)和頂部臂節(jié)的腹管總長(zhǎng)度以及中間臂節(jié)的腹管總長(zhǎng)度；p―代表材料密度。2確定約束條件2.1吊臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件：d―吊臂的橫截面積，即弦桿的橫截面積總和；%-吊臂在變幅平面內(nèi)的危險(xiǎn)截面的抗彎模量；―材許用應(yīng)力。

 

    吊臂在轉(zhuǎn)平面內(nèi)的*大力矩與*大軸向力作用在吊臂根部，由于對(duì)吊臂根部進(jìn)行了局部加強(qiáng)，所以將距離吊臂根部*近并且未加強(qiáng)的截面作為危險(xiǎn)截面。以此作為*大吊重工況時(shí)的約束條件。

 

    2.2吊臂結(jié)構(gòu)剛度條件在旋轉(zhuǎn)平而內(nèi)，吊臂由于外力作用而產(chǎn)生的*大撓度在吊臂頂端，此處由橫向力和力矩共同作用引起的臂采月放大系數(shù)法求臂端撓度：以此作為*大吊重工況時(shí)1勺約束條件。

 

    人一吊臂總長(zhǎng)度；一吊臂在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的臨界力；4一中間臂節(jié)在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的慣性矩；2.3吊臂結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性條件吊臂作收時(shí)，同作用軸向力、變幅平面和回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎矩，因此按向壓彎結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算。

 

    以此分別作為*大吊重工況和*長(zhǎng)吊臂起臂工況時(shí)的約束條件。

 

    截面處的彎矩：吟一吊臂在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)危險(xiǎn)截面處的抗彎模量。

 

    2.4主弦管單肢穩(wěn)定條件主弦管單肢穩(wěn)定性：以此分別作為*大吊重工況和*長(zhǎng)吊臂起臂工況時(shí)的約束條件。

 

    爐一軸壓穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比查表得出；d―單個(gè)主弦管的截面面積；單個(gè)主弦管節(jié)間的臨界力。

 

    2.5腹管單肢穩(wěn)定條件腹管單肢穩(wěn)定性：以此分別作為*大吊重工況和*長(zhǎng)吊臂起臂工況的約束條件。

 

    一單個(gè)腹管的橫截面面積。

 

    以上約束條件中的參數(shù)如M.v），等在Ansys計(jì)算結(jié)果中不能讀取的數(shù)據(jù)，需要通過(guò)命令流編寫(xiě)在程序中，作為狀態(tài)變量。

 

    3軟件實(shí)現(xiàn)方式及實(shí)例行編程，實(shí)現(xiàn)吊臂的計(jì)算求解。本文我們利用Ansys中的DesignOpt模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)吊臂的優(yōu)化。

 

    本文以設(shè)計(jì)吊重80t的起重機(jī)主臂為例，主弦管和腹管材料分別采用HSM770和Q345A.考慮疲勞的影響，它們的許用應(yīng)力分別為454MPa和233MPa.我們的整個(gè)計(jì)算及優(yōu)化過(guò)程全部通過(guò)添加到工具條的快捷功能按鈕實(shí)現(xiàn)。工具條包括以下按鈕（見(jiàn)）：CLMODEL建立起臂模型；CLMESH劃分網(wǎng)格；CLDOF添加自由度；CLSOLVE對(duì)起臂模型求解；CLDEFORM起臂工況吊臂變形；CLSTRESS起臂工況應(yīng)力分布（此按鈕下還包括子按鈕可分別得到吊臂整體應(yīng)力、主弦管應(yīng)力、腹管應(yīng)力等）；CLOPTIMI為優(yōu)化控件，將約束條件所需參數(shù)從計(jì)算結(jié)果重提取出來(lái)，將結(jié)果中沒(méi)有包含的參數(shù)寫(xiě)入相應(yīng)的宏命令，*后啟動(dòng)Designopt進(jìn)行優(yōu)化；CLCLEA清除已有起臂工況數(shù)據(jù)；LDSTEP進(jìn)入*大吊重工況。

 

    王松，劉麗娟。有限元分析-ANSYS理論與應(yīng)用。北京：電子工業(yè)出版社，2008，3：90-140.徐格寧。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。北京：機(jī)械工業(yè)出版通訊地址：遼寧省撫順市雙陽(yáng)路2號(hào)（113126）CrnrTi