ANSYS結構有限元優化設計在起重機車架上的應用

摘要：起重機車架是起重機中的關鍵部件，對其進行結構優化設計是其重要研究內容。通過物理實驗方法進行結構優化設計成本較大，且消耗大量時間。優化設計手段主要包括基于數學模型的優化設計和基于計算機輔助分析的優化設計兩大類，有限元法為使用計算機仿真技術提供了理論基礎，ANSYS作為機械結構有限元分析軟件，已廣泛應用于機械設計中，其功能包括了結構靜力有限元優化設計模塊，這為通過計算機進行起重機車架優化設計提供了可能。對某種起重機車架進行結構分析，提出結構中可以進行優化設計的部分，為進一步設計研究起重機車架提供了方向。

關鍵詞：電力系統;故障診斷;仿真技術;算法

作者簡介：汪陽（1984-），男，安徽蚌埠人，本科，工程師，研究方向為起重機結構設計與研究。

0 ?引言

起重機能夠在一定的使用范圍內提升、運輸、裝卸重物[1，2]。根據國家統計局的數據顯示，起重機械的對外出口量逐年增長，在工程中得到了廣泛的應用。起重機的結構基本由起升機構、運行機構、變幅機構和回轉機構等組成[3，4]。其吊臂、轉臺和車架占據起重機大部分重量，因此，對車架的優化研究十分重要。優化設計是機械結構設計的重要組成部分，目前，對機械機構的優化設計手段主要包括兩種：基于數學模型的優化設計和基于計算機輔助分析的優化設計。其中，基于數學模型的優化設計方法較為傳統，因為其數學模型包含許多假設，對于簡單的機械結構，可建立其優化數學模型，但對復雜的機械結構，其優化模型往往無從建立，因此，在工程中常采用計算機輔助分析方法進行優化設計探索。ANSYS優化設計模塊可完成復雜機械結構的優化探索[5，6]，現已在機械結構的優化設計中得到廣泛應用。

1 ?ANSYS優化設計

1.1 ANSYS結構有限元分析理論

有限元法可求解邊界值或初值問題，其基本思想是將整體區域進行有限維度劃分，成一定數量的子區域，用子區域的試探函數來近似連續體函數，因此，求解連續體的微分方程即變為有限的代數方程。在理論上，可采用矩陣方法進行理論分析，而在實際求解中可采用計算機輔助分析技術進行求解。有限元法包括線性有限元和非線性有限元兩部分。其中，線性有限法以彈性力學為基礎，其研究的主要問題有桿系有限元、平面力學問題、軸對稱問題、板殼有限元等。非線性有限元的主要求解方法有直接迭代法、牛頓法、擬牛頓法、增量法等，主要解決非線性、大變形問題。

在彈性力學中，內力與體積力的關系方程為：

式中，A為微分算子矩陣;Fb為體積力矩陣;ρ為體積密度;σ為應力矩陣;d為位移矩陣。

應變與位移的關系方程為：

應力與應變之間的本構關系為：

式中，D-1為彈性矩陣的逆矩陣。

應力邊界條件為：

式中，Fs為表面力矩陣;L為表面外法線方向余弦矩陣。

位移邊界條件為：

式中，d為已知位移沿坐標分量矩陣。

1.2 ANSYS優化設計模塊

ANSYS將結構力學、熱力學、流體力學、電磁學、聲學、電化學等學科融為一體，以有限單元法（FEM）為基礎，組成一款大型通用有限元分析軟件。ANSYS軟件提供了建模功能和網格劃分功能，用戶可根據需要建立所需的有限元模型，由于ANSYS的三維立體模型的建模能力有限，且操作不太友好，在實際分析時，通常選擇第三方的三維建模軟件進行建模，如SolidWorks、UG、Creo、CATIA等，建立好模型后導入ANSYS進行網格劃分和有限元分析與后處理。

ANSYS本身集成有優化設計探索模塊：Design Explorer。在Design Explorer中，用戶可建立優化設計模型，進行六西格瑪設計、魯棒設計、目標驅動優化等。Design Explore模塊以參數化模型為基礎，模型必須有輸入和輸出參數。輸入參數如尺寸、壓力、網格數量等。輸出參數包括質量、頻率、位移、應力、應變等。ANSYS優化設計包括中心組合設計、自定義設計、優化空間填充設計、自定義取樣設計、初始化稀疏網絡等。優化設計中的響應面的擬合方法包括二次多項式法、克里格法、非參數回歸法、神經網絡法和稀疏網絡法。目標驅動優化從給出的一組樣本得到最優的設計點，優化算法有篩選法、哈莫斯利算法等。

進行ANSYS優化設計探索的基本步驟如圖1所示。建立優化設計模型主要是創建ANSYS可識別的參數化模型，使用ANSYS本身的建模功能即可完成，但目前該功能的操作性還不夠簡便，在使用第三方建模軟件時必須要與ANSYS進行聯接，否則ANSYS無法識別優化參數，導致模型無法自動更新和重建。建好優化模型可導入ANSYS中，在模型處理中選擇需要優化的參數，選擇好后需要進入分析選項檢查參數是否都包含。

模型檢查完畢后，則需對優化參數進行水平設置，用戶可根據需要設置優化水平，優化水平越多，優化探索的項目就越多，這將導致計算時間的增多，所以用戶可進行大范圍優化探索，得到優化區間后再進行小范圍優化探索。更新模型時ANSYS自動進入求解，此時模型將根據參數水平的設置自動進行更新，用戶需等待一定時間，直至求解完畢。

2 ?起重機車架優化探索方向

2.1 車架的優化探索

某起重機車架模型如圖2所示。圖中包括三大優化設計部分，其中1為前置結構優化部分，2為支撐梁結構優化部分，3為后置結構優化部分。由于優化探索時，模型處于自動更新過程中，所以在沒有較大影響結果的前提下，應適當的簡化結構，故可將這三大優化部分簡化為空心梁結構，將梁的長度、板厚作為優化參數，分析結果中的應力、應變、質量作為優化指標，以簡化優化模型，提高計算效率。

2.2 車架優化設計發展趨勢

隨著經濟迅速發展，工程中對起重機的噸位要求越來越大，故對其機構強度、重量等的要求也越來越高，超大噸位的起重機未來發展的必然趨勢。噸位的上升，并不意味著機械結構的線性增大，反而要求機械結構朝向輕型化、高性能、高效率方向發展。因此，降低起重機重量，提高起重機的動力學品質是未來起重機的研究和發展趨勢。

3 ?結束語

介紹了ANSYS有限元法及其優化設計模塊與優化設計步驟。對某種起重機車架進行了3大優化部分的劃分，以空心梁模型簡化優化探索模型。提出超大噸位、輕型結構與動力學品質優良的起重機是其未來發展趨勢。

參考文獻：

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