陳必勝

摘 要：桁架自重輕、造價低。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化能夠在已知邊界和載荷條件下確定最佳形狀方案。均勻化方法是一種成熟的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：拓?fù)?尺寸 ANSYS 桁架

中圖分類號：TU323.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0028-01

1 原臂架分析

臂架是懸臂膠帶機(jī)的支承件，由兩個工字梁構(gòu)成，用角鋼連接成整體。主要抵抗自重及膠帶機(jī)各部件的載荷。因各段受力不同，腹板采取變截面形式，其后部設(shè)有配重系統(tǒng)（如表1）。[1]

2 臂架優(yōu)化

對于臂架前部，優(yōu)化時需要控制其外輪廓形狀，因此優(yōu)化時將外輪廓框架設(shè)定為非設(shè)計域。

第一章中分析的臂架共有三種工況，為了使拓?fù)浣Y(jié)果滿足實(shí)際使用要求，優(yōu)化時同樣需要考慮這三種工況。

（1）腹板拓?fù)鋬?yōu)化

在ANSYS中，采用建立腹板前部平面有限元模型，劃分單元時腹板邊框非設(shè)計域與設(shè)計域采用不同的單元類型號，設(shè)計域采用類型號為1的單元進(jìn)行平面網(wǎng)格劃分，非設(shè)計域采用單元類型號為2的單元劃分。

將腹板前部與后部結(jié)合處作為約束；

綜合空載水平、滿載上仰和滿載下附三種載荷工況，加權(quán)系數(shù)1，1，2；

結(jié)構(gòu)剛度最大化為優(yōu)化目標(biāo)，去除材料體積60%作為約束。如圖臂架前部腹板拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

優(yōu)化獲得如圖1所示的腹板前部桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明材料分布的趨勢為約束端部需要較多材料，而前部則較少，腹板設(shè)計域基本形成桁架結(jié)構(gòu)，但形式不清晰。

為了獲得較清晰的結(jié)構(gòu)，采取對腹板進(jìn)行分段優(yōu)化的方法。

（2）腹板中段優(yōu)化

單獨(dú)取腹板中段，約束位置與整段相同，載荷除了腹板上部的均布載荷外，在連接處需要施加支反力、支反力矩，材料去除50%。

（3）腹板前段優(yōu)化

單獨(dú)取腹板前段，將前段與中段的連接部位作為約束，去除材料60%。

3 基于優(yōu)化結(jié)果的結(jié)構(gòu)及分析

針對上述優(yōu)化結(jié)果，使臂架強(qiáng)度和剛度控制在合理范圍內(nèi)，使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗彎，根據(jù)我公司實(shí)際情況，大部分產(chǎn)品采用板梁結(jié)構(gòu)，有些廢料的尺寸也非常大，可以考慮綜合利用。

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，臂架截面我們采用雙工字梁結(jié)構(gòu)，每側(cè)工字梁上下采用T形結(jié)構(gòu)，采用鋼板焊接而成，臂架中段和前段的主梁截面采用上圖所示的T形截面，根據(jù)截面尺寸優(yōu)化結(jié)果，中段截面尺寸為240×240×20×26，前段截面尺寸為240×240×16×10，三維模型如圖2。

在ANSYS中，我們對新結(jié)構(gòu)建立有限元模型并分析。從結(jié)果上看，臂架的最大應(yīng)力在臂架的鉸座及油缸鉸座附近，與原結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置大體相同。最大應(yīng)力為132 MPa，而原始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為106 MPa。雖然應(yīng)力有所變大，但是在材料的極限范圍內(nèi)。

從變形分析的結(jié)果上看，臂架的最大變形依然出現(xiàn)在臂架的前部附近，與原始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置相同。最大變形為59 mm，而原結(jié)構(gòu)的最大變形為101 mm。在變形方面，有了較大的改善（減小41.1%）。這是由于原臂架在前端自身較重，在加之擋料板等較大部件的集中載荷，使得前端的變形較大。

從模態(tài)分析結(jié)果上看，臂架的固有頻率變化較大，變動的幅度有所提高?？紤]到計算誤差及設(shè)備結(jié)構(gòu)的因素，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)雖對模態(tài)產(chǎn)生一定的影響，但是考慮其經(jīng)濟(jì)性及使用，可以接受。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減重為主，計算時也以位移作為約束，所以對模態(tài)而言沒有明顯的優(yōu)化作用。

優(yōu)化后的模型在質(zhì)量上減少16%，變形也得到改善。應(yīng)力雖然較原模型大，也可接受，達(dá)到了預(yù)期的目的。

綜上，主要工作在于將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化中。如果將其推廣到堆取料機(jī)中的橋梁、中柱等結(jié)構(gòu)也將得到優(yōu)化，定會給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。相信隨著有限元技術(shù)和優(yōu)化理論不斷發(fā)展，被廣大工程技術(shù)人員所接受，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)必將為更復(fù)雜的問題提供解決方案，為企業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐偉.工程車輛車架的拓?fù)鋬?yōu)化與減重設(shè)計.

[2] 李群.物料搬運(yùn)與分析技術(shù).endprint

摘 要：桁架自重輕、造價低。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化能夠在已知邊界和載荷條件下確定最佳形狀方案。均勻化方法是一種成熟的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：拓?fù)?尺寸 ANSYS 桁架

中圖分類號：TU323.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0028-01

1 原臂架分析

臂架是懸臂膠帶機(jī)的支承件，由兩個工字梁構(gòu)成，用角鋼連接成整體。主要抵抗自重及膠帶機(jī)各部件的載荷。因各段受力不同，腹板采取變截面形式，其后部設(shè)有配重系統(tǒng)（如表1）。[1]

2 臂架優(yōu)化

對于臂架前部，優(yōu)化時需要控制其外輪廓形狀，因此優(yōu)化時將外輪廓框架設(shè)定為非設(shè)計域。

第一章中分析的臂架共有三種工況，為了使拓?fù)浣Y(jié)果滿足實(shí)際使用要求，優(yōu)化時同樣需要考慮這三種工況。

（1）腹板拓?fù)鋬?yōu)化

在ANSYS中，采用建立腹板前部平面有限元模型，劃分單元時腹板邊框非設(shè)計域與設(shè)計域采用不同的單元類型號，設(shè)計域采用類型號為1的單元進(jìn)行平面網(wǎng)格劃分，非設(shè)計域采用單元類型號為2的單元劃分。

將腹板前部與后部結(jié)合處作為約束；

綜合空載水平、滿載上仰和滿載下附三種載荷工況，加權(quán)系數(shù)1，1，2；

結(jié)構(gòu)剛度最大化為優(yōu)化目標(biāo)，去除材料體積60%作為約束。如圖臂架前部腹板拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

優(yōu)化獲得如圖1所示的腹板前部桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明材料分布的趨勢為約束端部需要較多材料，而前部則較少，腹板設(shè)計域基本形成桁架結(jié)構(gòu)，但形式不清晰。

為了獲得較清晰的結(jié)構(gòu)，采取對腹板進(jìn)行分段優(yōu)化的方法。

（2）腹板中段優(yōu)化

單獨(dú)取腹板中段，約束位置與整段相同，載荷除了腹板上部的均布載荷外，在連接處需要施加支反力、支反力矩，材料去除50%。

（3）腹板前段優(yōu)化

單獨(dú)取腹板前段，將前段與中段的連接部位作為約束，去除材料60%。

3 基于優(yōu)化結(jié)果的結(jié)構(gòu)及分析

針對上述優(yōu)化結(jié)果，使臂架強(qiáng)度和剛度控制在合理范圍內(nèi)，使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗彎，根據(jù)我公司實(shí)際情況，大部分產(chǎn)品采用板梁結(jié)構(gòu)，有些廢料的尺寸也非常大，可以考慮綜合利用。

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，臂架截面我們采用雙工字梁結(jié)構(gòu)，每側(cè)工字梁上下采用T形結(jié)構(gòu)，采用鋼板焊接而成，臂架中段和前段的主梁截面采用上圖所示的T形截面，根據(jù)截面尺寸優(yōu)化結(jié)果，中段截面尺寸為240×240×20×26，前段截面尺寸為240×240×16×10，三維模型如圖2。

在ANSYS中，我們對新結(jié)構(gòu)建立有限元模型并分析。從結(jié)果上看，臂架的最大應(yīng)力在臂架的鉸座及油缸鉸座附近，與原結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置大體相同。最大應(yīng)力為132 MPa，而原始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為106 MPa。雖然應(yīng)力有所變大，但是在材料的極限范圍內(nèi)。

從變形分析的結(jié)果上看，臂架的最大變形依然出現(xiàn)在臂架的前部附近，與原始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置相同。最大變形為59 mm，而原結(jié)構(gòu)的最大變形為101 mm。在變形方面，有了較大的改善（減小41.1%）。這是由于原臂架在前端自身較重，在加之擋料板等較大部件的集中載荷，使得前端的變形較大。

從模態(tài)分析結(jié)果上看，臂架的固有頻率變化較大，變動的幅度有所提高。考慮到計算誤差及設(shè)備結(jié)構(gòu)的因素，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)雖對模態(tài)產(chǎn)生一定的影響，但是考慮其經(jīng)濟(jì)性及使用，可以接受。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減重為主，計算時也以位移作為約束，所以對模態(tài)而言沒有明顯的優(yōu)化作用。

優(yōu)化后的模型在質(zhì)量上減少16%，變形也得到改善。應(yīng)力雖然較原模型大，也可接受，達(dá)到了預(yù)期的目的。

綜上，主要工作在于將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化中。如果將其推廣到堆取料機(jī)中的橋梁、中柱等結(jié)構(gòu)也將得到優(yōu)化，定會給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。相信隨著有限元技術(shù)和優(yōu)化理論不斷發(fā)展，被廣大工程技術(shù)人員所接受，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)必將為更復(fù)雜的問題提供解決方案，為企業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐偉.工程車輛車架的拓?fù)鋬?yōu)化與減重設(shè)計.

[2] 李群.物料搬運(yùn)與分析技術(shù).endprint

摘 要：桁架自重輕、造價低。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化能夠在已知邊界和載荷條件下確定最佳形狀方案。均勻化方法是一種成熟的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：拓?fù)?尺寸 ANSYS 桁架

中圖分類號：TU323.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（b）-0028-01

1 原臂架分析

臂架是懸臂膠帶機(jī)的支承件，由兩個工字梁構(gòu)成，用角鋼連接成整體。主要抵抗自重及膠帶機(jī)各部件的載荷。因各段受力不同，腹板采取變截面形式，其后部設(shè)有配重系統(tǒng)（如表1）。[1]

2 臂架優(yōu)化

對于臂架前部，優(yōu)化時需要控制其外輪廓形狀，因此優(yōu)化時將外輪廓框架設(shè)定為非設(shè)計域。

第一章中分析的臂架共有三種工況，為了使拓?fù)浣Y(jié)果滿足實(shí)際使用要求，優(yōu)化時同樣需要考慮這三種工況。

（1）腹板拓?fù)鋬?yōu)化

在ANSYS中，采用建立腹板前部平面有限元模型，劃分單元時腹板邊框非設(shè)計域與設(shè)計域采用不同的單元類型號，設(shè)計域采用類型號為1的單元進(jìn)行平面網(wǎng)格劃分，非設(shè)計域采用單元類型號為2的單元劃分。

將腹板前部與后部結(jié)合處作為約束；

綜合空載水平、滿載上仰和滿載下附三種載荷工況，加權(quán)系數(shù)1，1，2；

結(jié)構(gòu)剛度最大化為優(yōu)化目標(biāo)，去除材料體積60%作為約束。如圖臂架前部腹板拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

優(yōu)化獲得如圖1所示的腹板前部桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明材料分布的趨勢為約束端部需要較多材料，而前部則較少，腹板設(shè)計域基本形成桁架結(jié)構(gòu)，但形式不清晰。

為了獲得較清晰的結(jié)構(gòu)，采取對腹板進(jìn)行分段優(yōu)化的方法。

（2）腹板中段優(yōu)化

單獨(dú)取腹板中段，約束位置與整段相同，載荷除了腹板上部的均布載荷外，在連接處需要施加支反力、支反力矩，材料去除50%。

（3）腹板前段優(yōu)化

單獨(dú)取腹板前段，將前段與中段的連接部位作為約束，去除材料60%。

3 基于優(yōu)化結(jié)果的結(jié)構(gòu)及分析

針對上述優(yōu)化結(jié)果，使臂架強(qiáng)度和剛度控制在合理范圍內(nèi)，使得臂架最大限度的降低了重量。

由于臂架主要作用抗彎，根據(jù)我公司實(shí)際情況，大部分產(chǎn)品采用板梁結(jié)構(gòu)，有些廢料的尺寸也非常大，可以考慮綜合利用。

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，臂架截面我們采用雙工字梁結(jié)構(gòu)，每側(cè)工字梁上下采用T形結(jié)構(gòu)，采用鋼板焊接而成，臂架中段和前段的主梁截面采用上圖所示的T形截面，根據(jù)截面尺寸優(yōu)化結(jié)果，中段截面尺寸為240×240×20×26，前段截面尺寸為240×240×16×10，三維模型如圖2。

在ANSYS中，我們對新結(jié)構(gòu)建立有限元模型并分析。從結(jié)果上看，臂架的最大應(yīng)力在臂架的鉸座及油缸鉸座附近，與原結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置大體相同。最大應(yīng)力為132 MPa，而原始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為106 MPa。雖然應(yīng)力有所變大，但是在材料的極限范圍內(nèi)。

從變形分析的結(jié)果上看，臂架的最大變形依然出現(xiàn)在臂架的前部附近，與原始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力位置相同。最大變形為59 mm，而原結(jié)構(gòu)的最大變形為101 mm。在變形方面，有了較大的改善（減小41.1%）。這是由于原臂架在前端自身較重，在加之擋料板等較大部件的集中載荷，使得前端的變形較大。

從模態(tài)分析結(jié)果上看，臂架的固有頻率變化較大，變動的幅度有所提高。考慮到計算誤差及設(shè)備結(jié)構(gòu)的因素，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)雖對模態(tài)產(chǎn)生一定的影響，但是考慮其經(jīng)濟(jì)性及使用，可以接受。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減重為主，計算時也以位移作為約束，所以對模態(tài)而言沒有明顯的優(yōu)化作用。

優(yōu)化后的模型在質(zhì)量上減少16%，變形也得到改善。應(yīng)力雖然較原模型大，也可接受，達(dá)到了預(yù)期的目的。

綜上，主要工作在于將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化中。如果將其推廣到堆取料機(jī)中的橋梁、中柱等結(jié)構(gòu)也將得到優(yōu)化，定會給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。相信隨著有限元技術(shù)和優(yōu)化理論不斷發(fā)展，被廣大工程技術(shù)人員所接受，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)必將為更復(fù)雜的問題提供解決方案，為企業(yè)做出巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐偉.工程車輛車架的拓?fù)鋬?yōu)化與減重設(shè)計.

[2] 李群.物料搬運(yùn)與分析技術(shù).endprint