趙小偉，衛(wèi)良保

(太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，太原030024)

橋式起重機(jī)是室內(nèi)外很多部門和場所廣泛應(yīng)用的一種重要工具和起重設(shè)備，主要由橋架、大車行走機(jī)構(gòu)及起重小車等組成。箱形主梁作為橋式起重機(jī)最重要的組成部分，它的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能對起重機(jī)的性能和成本有較大的影響[1]。對于橋式起重機(jī)主梁，必須保證有足夠的強(qiáng)度和剛度。在傳統(tǒng)的箱形梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主梁設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行，安全系數(shù)的選擇往往偏大，造成制造材料的浪費(fèi)。因此，很有必要對橋式起重機(jī)的主梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為生產(chǎn)廠家降低制造成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)ANSYS的功能特點(diǎn)，運(yùn)用APDL開發(fā)出專用的模塊中的優(yōu)化設(shè)計(jì)部分，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)可視鍵控，即“所見即所得”[2]，還能快速實(shí)現(xiàn)對橋式起重機(jī)主梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 基于APDL專用分析模塊的開發(fā)

在生產(chǎn)實(shí)際中，經(jīng)常會開發(fā)一些專用分析程序?qū)崿F(xiàn)特殊目的，把這些專用的分析程序編寫成一個(gè)個(gè)的宏文件，然后由一個(gè)主分析程序控制整個(gè)流程，在需要的時(shí)候調(diào)用所需要的宏文件。宏文件中經(jīng)常需要給某些參數(shù)進(jìn)行賦值，這時(shí)可以利用APDL的界面語句定制簡單的參數(shù)賦值界面并建立適當(dāng)?shù)南C(jī)制。當(dāng)所有分析程序和宏文件都編好后形成一個(gè)專用分析程序時(shí)，可以利用縮寫功能在Toolbar上建立按鈕進(jìn)行程序的驅(qū)動和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)專用分析模塊的過程控制[3]。本文所開發(fā)出的專用分析模塊工具條如圖1所示。模塊中有優(yōu)化控制部分，通過單擊此部分按鈕來完成主梁的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 新定義ANSYS工具條Fig.1 New defined ANSYS toolbar

2 基于ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

在ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)中，常見的目標(biāo)變量如重量、費(fèi)用、應(yīng)力等，對于主梁，以其重量最輕為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。在ANSYS中實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化功能的步驟為:首先，選定合適的單元建立分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析;其次提取所需要的分析信息并將其傳遞給ANSYS優(yōu)化器;最后，進(jìn)入優(yōu)化器，進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，得到結(jié)果[4]。ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 The flow chart of ANSYS optimization design

3 橋式起重機(jī)主梁參數(shù)化建模

3.1 橋式起重機(jī)主梁的技術(shù)參數(shù)

所研究起重機(jī)主梁的主要參數(shù)為:起重量Q=32 t，跨度L=22.5 m，起升高度Hq=16 m，起升速度Vq=13 m/min，小車運(yùn)行速度Vx=45 m/min，大車運(yùn)行速度Vd=90 m/min，小車軌距K=2 500 mm，大車軸距B=5 800 mm，工作級別為A6.主要幾何尺寸:上翼緣板寬度b0=930 mm，下翼緣板寬度b1=800 mm，主梁高度h1=1 620 mm，上翼緣板外伸w1=150 mm，下翼緣板外伸w2=20 mm，主梁翼緣板厚度t1=10 mm，主梁主腹板厚度t2=8 mm，主梁副腹板厚度t3=6 mm.

3.2 有限元模型的簡化和假設(shè)

為方便參數(shù)化建模，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化處理，即簡化若干對結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度影響微小的特征。簡化的原則應(yīng)在保證模型符合實(shí)際結(jié)構(gòu)和分析精度的情況下，使結(jié)果稍偏于安全，比如忽略一些工藝筋和局部加強(qiáng)板等。

3.3 單元選取和網(wǎng)格劃分

橋機(jī)主梁是由薄板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，通常選用板殼單元來模擬。起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008規(guī)定不考慮鋼材的塑性利用[5]，故常采用線彈性板殼單元 shell63和 shell93.本文采用殼單元shell63對主梁各板進(jìn)行離散。對主梁結(jié)構(gòu)幾何模型的規(guī)則面采用映射網(wǎng)格劃分，不規(guī)則面則采用自由網(wǎng)格劃分，同時(shí)對過渡區(qū)作相關(guān)的處理，網(wǎng)格劃分的精度能確保求解結(jié)果盡量精確[6]。

4 起重機(jī)主梁有限元分析

4.1 主梁的約束

橋式起重機(jī)的主梁可以簡化為一個(gè)簡支梁來處理，主梁一端對邊線上的節(jié)點(diǎn)僅釋放在垂直平面(繞Z軸)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度，另一端對邊線上的節(jié)點(diǎn)釋放垂直平面(繞Z軸)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和沿主梁軸向(X方向)的移動兩個(gè)自由度。

4.2 載荷的施加

圖3 參數(shù)化有限元模型Fig.3 The parametric finite element model

考慮最惡劣工況，起重機(jī)的工況為小車跨中滿載下降制動，同時(shí)大車運(yùn)行啟動或制動。施加載荷時(shí)，主梁均布載荷、大車均布慣性載荷以加速度的形式作用在橋架上;軌道、電氣設(shè)備、走臺和欄桿以表面力的形式作用在主梁上表面;司機(jī)室、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、小車輪壓、小車集中慣性載荷以集中力的形式作用到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，為了避免施加單個(gè)節(jié)點(diǎn)造成局部擠壓應(yīng)力和變形，把集中力均勻施加到附近的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

4.3 運(yùn)算求解

程序計(jì)算出上述的載荷，將其等效后加到相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)或線、面上，進(jìn)入求解器進(jìn)行求解。

4.4 通用后處理結(jié)果分析

由以上云圖分析可知:主梁的垂直方向最大位移為18.314 mm，最大位移發(fā)生在跨中。主梁最大等效應(yīng)力為164.372 MPa，位于下蓋板與副腹板的連接處。Q345鋼的許用應(yīng)力[σs]345/1.33=259.4 MPa，工作級別為A6的橋式起重機(jī)垂直繞度許用值[f]=L/800=28.125 mm.可以看出，主梁的強(qiáng)度、剛度不僅均滿足要求，還有很大的余量，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以減輕自重，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

5.1 設(shè)計(jì)變量

在設(shè)計(jì)過程中需要不斷的調(diào)整設(shè)計(jì)變量的值，常見設(shè)計(jì)變量如結(jié)構(gòu)某部分的寬度、高度等幾何尺寸。主梁的跨中截面結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖4 工況1主梁Y方向(下?lián)?位移云圖Fig.4 Girder displacement map in Y direction(deflection)in condition 1

圖5 工況1主梁等效應(yīng)力云圖Fig.5 Girder equivalent stress map in condition 1

圖6 橋機(jī)主梁跨中截面結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 The structural map of bridge girder section of midspan

主梁的設(shè)計(jì)變量和取值范圍如表1所示。

5.2 狀態(tài)變量

狀態(tài)變量是設(shè)計(jì)要求滿足的約束條件變量參數(shù)，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。主梁的狀態(tài)變量如表2所示。

表1 設(shè)計(jì)變量Tab.1 Design variables

表2 狀態(tài)變量Tab.2 State variables

5.3 目標(biāo)函數(shù)

橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)是使主梁在滿足各項(xiàng)條件的情況下制造成本最低，而與制造成本相關(guān)的主要因素是設(shè)計(jì)水平、材料消耗、加工工藝等，若全部考慮，則難以量化，使模型復(fù)雜化而失去實(shí)用性。因此模型以橋式起重機(jī)整機(jī)質(zhì)量最輕為目標(biāo)，可以等價(jià)于體積最小[7]。

6 起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)命令流包括兩部分，一個(gè)是優(yōu)化分析文件，另一個(gè)就是優(yōu)化過程控制文件，通過專用分析模塊上的按鈕調(diào)用此文件。選擇一階方法(First Method)優(yōu)化，指定優(yōu)化步數(shù)為30步。對所有變量進(jìn)行優(yōu)化，執(zhí)行優(yōu)化程序所得到得優(yōu)化序列如圖7-圖10分別顯示了體積、最大應(yīng)力、最大變形的迭代曲線。

圖7 迭代最優(yōu)解Fig.7 The iterated optional solution

圖8 體積的迭代曲線Fig.8 The iteration curve of volume

圖9 最大應(yīng)力的迭代曲線Fig.9 The iteration curve of maximum stress

圖10 最大變形迭代曲線Fig.10 The iteration curve of maximum deformation

由優(yōu)化結(jié)果可知最優(yōu)解為第13步。優(yōu)化前后各參數(shù)項(xiàng)目的對比結(jié)果如表3所示:

表3 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比Tab.3 Data contrast before and after optimization

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對以上優(yōu)化結(jié)果圓整后得如下最終優(yōu)化結(jié)果:b0=904 mm;b1=750 mm;t1=8 mm;t2=6 mm;t3=4 mm;w1=131 mm;w2=19 mm;h1=1 584 mm.經(jīng)過優(yōu)化處理后，主梁的重量減輕了25.98%，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)束語

本文研究對象為32t偏軌箱型梁橋式起重機(jī)，通過ANSYS中APDL語言開發(fā)出專用的用戶分析模塊，每一模塊通過單擊相應(yīng)的按鈕調(diào)用對應(yīng)的宏文件就可完成對橋機(jī)主梁快速的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。二次開發(fā)工作為快速的對橋式起重機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的途徑和方法。

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