張齊偉　向蘭珍　黃新霞

摘要：塔機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算中，起重臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)化建?？捎行Ч?jié)省設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)間。ANSYS中參數(shù)化設(shè)計(jì)語言可在塔機(jī)起重臂優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到有效應(yīng)用。以起重臂、拉桿為研究對(duì)象，運(yùn)用APDL語言建模，“Design Opt”模塊自帶算法，優(yōu)化了起重臂結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的起重臂結(jié)構(gòu)合理，可靠性好。

關(guān)鍵詞：塔機(jī)；起重臂；APDL；Opt；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.25.088

1概述

塔式起重機(jī)由鋼結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成。合理的鋼結(jié)構(gòu)保證了塔機(jī)的整體穩(wěn)定性。塔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以安全為前提，滿足起重性能，使整體結(jié)構(gòu)輕量化。塔機(jī)起重臂為空間桁架結(jié)構(gòu)，各節(jié)起重臂通過銷軸連接。起重臂是塔機(jī)的重要部件，良好的結(jié)構(gòu)形式能夠提升塔機(jī)的起重性能。起重臂的優(yōu)化可以使起重臂輕量化，提升市場競爭力。運(yùn)用APDL能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化建模、施加載荷、求解，便于優(yōu)化分析。模型參數(shù)修改容易，極大提高了分析求解效率。APDL參數(shù)化有限元分析需定義一個(gè)分析文件和優(yōu)化文件。一個(gè)完整的分析文件包含完整的前處理、求解、后處理過程。與通常ANSYS求解不同的是要首先定義參數(shù)化變量，確定設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)，并提取需要的參數(shù)值。優(yōu)化文件中要定義設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的取值范圍，選擇合適的優(yōu)化方法求解。本文以T6510塔機(jī)起重臂為研究對(duì)象，運(yùn)用APDL語言進(jìn)行參數(shù)化建模，Ansys “Design Opt”模塊相應(yīng)算法對(duì)起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析流程

優(yōu)化設(shè)計(jì)是定義參數(shù)、分析、評(píng)估、修正參數(shù)、求解的迭代的過程。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)定義的變量通常為各零部件的外形尺寸，目標(biāo)函數(shù)為總重量，優(yōu)化流程如圖1所示。

“Design Opt”模塊中的優(yōu)化方法包括零階方法和一階方法。零階方法是一個(gè)很完善的處理方法，可以有效的處理大多數(shù)工程問題，但精確性不高。一階方法是基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感度，更加適合于精確的優(yōu)化分析。本文運(yùn)用零階方法研究整個(gè)設(shè)計(jì)空間，然后使用一階方法在合理的設(shè)計(jì)序列中搜索最優(yōu)解。

2.2工況分析

2.3起重臂模型建立及載荷

塔機(jī)起重臂由主弦桿、斜腹桿、水平腹桿焊接而成。各節(jié)臂結(jié)構(gòu)形式基本相同，采用循環(huán)語句建模。建模中把起重臂和拉桿作為整體分析，其

中拉桿采用link8桿單元，起重臂采用beam188梁單元。材料彈性模量：E=210GPa，泊松比：0.3，密度：7.8t/m^3。拉桿與塔帽頂部連接處、起重臂臂根鉸點(diǎn)需約束，限制除繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的其他自由度。

2.4變量與目標(biāo)函數(shù)

變量包括設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量。設(shè)計(jì)變量往往是長度、厚度、直徑等參數(shù)。狀態(tài)變量通常是控制設(shè)計(jì)的因變量數(shù)值。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)中以應(yīng)力大小和最大變形量作為狀態(tài)變量。目標(biāo)函數(shù)為設(shè)計(jì)要達(dá)到的最小或最大化的數(shù)值，可把總體積或總重量作為目標(biāo)函數(shù)。起重臂各節(jié)臂尺寸基本相同，主弦桿和腹桿尺寸略有差別。為了簡化運(yùn)算，本文對(duì)于各主材進(jìn)行了統(tǒng)一處理。起重臂的各設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量、目標(biāo)函數(shù)如表3所示。其中內(nèi)吊點(diǎn)位置和外吊點(diǎn)位置為關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)，無量綱。對(duì)于起重臂截面的寬度和高度，考慮運(yùn)行小車裝配關(guān)系以及起重臂制作工裝的調(diào)整難度較大，故暫時(shí)不予考慮。

2.5優(yōu)化求解

優(yōu)化文件中分別定義各變量的取值范圍，選擇零階方法Sub-Problem和Gradient在全局范圍內(nèi)獲取最優(yōu)解，然后選擇一階方法First-Order在局部范圍內(nèi)獲取更精確的最優(yōu)解。經(jīng)過多次迭代計(jì)算，得到的優(yōu)化結(jié)果（表4）中各變量均為小數(shù)。根據(jù)塔機(jī)優(yōu)選材料，圓整后，選擇合適鋼材。對(duì)比優(yōu)化前后數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果對(duì)比如表5所示。優(yōu)化后起重臂和拉桿總重量降低了0.35t，減少的重量來自于主材的優(yōu)化。由于主材的尺寸有所減小，最大變形量、最大應(yīng)力有所增加，滿足可靠性要求。內(nèi)外吊點(diǎn)位置、塔帽高度稍有變化，可不作改變。

3結(jié)論

本文對(duì)T6510塔式起重機(jī)起重臂運(yùn)用命令流建模，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。起重臂主材重量有所減輕，各項(xiàng)參數(shù)均滿足要求。由于分析優(yōu)化過程中對(duì)于起重臂的連接作了簡化處理，優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果略有差別。對(duì)于變形產(chǎn)品的開發(fā)，參數(shù)化優(yōu)化分析效率高。本文提供的方法可作為依據(jù)，有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低成本，提升產(chǎn)品市場競爭力。

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