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      基于ANSYS的動(dòng)臂塔機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

      2020-12-23 14:38:03賈明偉張宇飛
      裝備維修技術(shù) 2020年13期
      關(guān)鍵詞:輕量化設(shè)計(jì)有限元分析

      賈明偉 張宇飛

      摘要:為保證動(dòng)臂塔機(jī)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(yǔ)言在ANSYS中建立QTD160型塔機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)有限元模型,并進(jìn)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(jì)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(jì)數(shù)學(xué)模型,并對(duì)其結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化進(jìn)行迭代計(jì)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(shí)現(xiàn)了起重臂結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì),并且優(yōu)化后的臂架結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(dòng)臂塔機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供了參考。

      中圖分類號(hào):TH213.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

      關(guān)鍵詞 :起重臂 ;有限元分析;輕量化設(shè)計(jì)

      0引言

      動(dòng)臂塔式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的核心問(wèn)題是減輕塔機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量,起重臂是塔機(jī)的主要受力部件,其輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于整機(jī)結(jié)構(gòu)減重至關(guān)重要。動(dòng)臂塔機(jī)起重臂的輕量化設(shè)計(jì)是在滿足起重臂起重性能的同時(shí)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(jì)有2種途徑可以實(shí)現(xiàn),即選取新型高強(qiáng)材料和對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[2]。本文以廣州某公司QTD160塔機(jī)輕量化設(shè)計(jì)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(qiáng)度為約束,建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,基于ANSYS 優(yōu)化平臺(tái)選擇合理優(yōu)化算法[3] ,對(duì)起重臂進(jìn)行輕量化迭代計(jì)算,并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

      1.起重臂結(jié)構(gòu)分析

      QTD160型塔機(jī)起重臂由6節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成,其中第五節(jié)長(zhǎng)度為5.17m,剩余長(zhǎng)度均為10.35m,將結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)視為節(jié)點(diǎn)。選擇梁?jiǎn)卧猙eam188,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(dòng)作,即X、Y、Z三個(gè)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(dòng)。在起重臂超靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中載荷取動(dòng)臂塔機(jī)額定起重載荷的1.25倍,分別在幅度55m和幅度20m,計(jì)算得到的典型工況載荷與位移,可以得到2種工況下塔機(jī)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果和吊臂危險(xiǎn)點(diǎn)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(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),以減輕整機(jī)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(shí)現(xiàn)優(yōu)化模型中設(shè)定的多個(gè)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(jì)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(diǎn)確定設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)變量即結(jié)構(gòu)尺寸。建立2個(gè)狀態(tài)變量即應(yīng)力變量S和位移變量 D,則對(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力 ;[S]為材料許用應(yīng)力。對(duì)應(yīng)的位移約束條件為 :

      其中, 為最大位移變形量; 為第 i個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)部分,選用一階法對(duì)起重臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在優(yōu)化過(guò)程中,目標(biāo)函數(shù)值的變化曲線如圖2所示,在優(yōu)化過(guò)程中設(shè)計(jì)變量的變化如圖3 所示 。

      對(duì)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(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

      3.優(yōu)化后模型驗(yàn)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(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力值233.1MPa。 QTD160動(dòng)臂塔機(jī)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(qiáng)度性能減輕了整機(jī)自重,實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

      結(jié)論:

      通過(guò)對(duì)QTD160動(dòng)臂塔機(jī)起重臂進(jìn)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(guò)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(qiáng)度富余量過(guò)大,可以進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),以減輕整機(jī)自重。

      (2)以起重臂質(zhì)量最輕設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)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(yuǎn)動(dòng)臂塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供了一種切實(shí)可行的參考方法。

      參考文獻(xiàn)

      [1]謝然, 蘭鳳崇, 陳吉清,等. 滿足可靠性要求的輕量化車身結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011(04):117-124.

      [2]王平, 鄭松林, 吳光強(qiáng). 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(jì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011(02):102-108.

      [3]賈金鑫, 李全通, 高星偉,等. 葉片質(zhì)量矩優(yōu)化排序中遺傳算法的應(yīng)用[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2011(01):204-209.

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

      作者簡(jiǎn)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(jí)工程師。

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