基于ansys的200環(huán)軌式起重機(jī)吊具大鉸支板優(yōu)化設(shè)計

由于重量很大，設(shè)計和研究應(yīng)在保證工作時的高安全的前提下，考慮到重量很小。吊具的初步研究是采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法和理論經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)手冊完成各零部件的設(shè)計,主要由兩塊大絞支板、四塊小鉸支板、四個小連接件、兩根銷軸、一個大連接件、環(huán)形吊具和推力調(diào)心滾子軸承等組成,如圖1。大、小絞支板作為吊具結(jié)構(gòu)中連接各零部件的關(guān)鍵部件,且重量高達(dá)吊具總重量60.3﹪,因此在滿足所有設(shè)計要求條件下,追求絞支板自重的最小化,可提高工作的安全性能,節(jié)約成本,對整個吊具的設(shè)計研究具有很重要的意義。傳統(tǒng)的設(shè)計方法不僅對絞支板的強(qiáng)度和危險點(diǎn)的應(yīng)力無法提供精確計算,而且在結(jié)構(gòu)尺寸的定位上也很難準(zhǔn)確把握,造成材料的利用率低和不必要的自重干擾。本文采用ANSYS軟件對大絞支板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,小鉸支板的優(yōu)化方法與此十分類似,文中不再贅述。1完善各變量間的匹配和優(yōu)化ANSYS提供零階和一階這兩種優(yōu)化方法。零階方法通過對目標(biāo)函數(shù)添加罰函數(shù)將問題轉(zhuǎn)化為非約束的優(yōu)化問題,再用曲線擬合來建立目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計變量之間關(guān)系來實(shí)現(xiàn)逼近,每次優(yōu)化循環(huán)生成一個新的數(shù)據(jù)點(diǎn)。相對于一階方法,其對設(shè)計變量的敏感程度和精確度低,但收斂速度快。零階方法是一個完善、通用的方法,可以很有效地處理大多數(shù)的工程問題,文中也采取該種優(yōu)化方法。ANSYS還提供多種優(yōu)化工具來搜索設(shè)計域,包括單循環(huán)工具、隨機(jī)工具、掃描工具、梯度工具和乘子工具?？蛇x用一種優(yōu)化工具探測其解空間,將從較少次數(shù)迭代中得到的結(jié)果作為設(shè)計空間的參考依據(jù),并根據(jù)每一次循環(huán)結(jié)果中各設(shè)計變量的收斂情況來分析設(shè)計空間外是否有更優(yōu)解。因此可進(jìn)一步修改設(shè)計變量的范圍,從而運(yùn)行二級甚至更多級的優(yōu)化,獲取最優(yōu)解。文中針對大絞支板提出一種基于ANSYS的優(yōu)化設(shè)計的流程圖如下:2基于anyss的大柱支板優(yōu)化設(shè)計2.1參數(shù)化建模設(shè)計由于吊具上的大鉸支板是配合其他零部件的主要連接件,其形狀和配合尺寸不能改變,而集中應(yīng)力主要分布在三個軸孔和軸孔對應(yīng)的凸臺上。將大絞支板經(jīng)過傳統(tǒng)設(shè)計出的結(jié)果作為參數(shù)化建模的依據(jù),設(shè)置如下:兩個上軸孔凸臺半徑Rs=300mm,其厚度Ts=210mm,下軸孔凸臺半徑Rx=400mm,其厚度Tx=280mm,支板自身厚度T=150mm,以上參數(shù)可設(shè)置成后續(xù)優(yōu)化設(shè)計中的設(shè)計變量。上軸孔半徑為200mm,下軸孔半徑為250mm作為配合尺寸定為非參數(shù),如圖3所示。2.2絞支板有限元分析定義其單元類型為帶厚度的平面應(yīng)力單元SOLIDPLANE82,并依次定義該單元類型的實(shí)常數(shù)(RealConstants)為T、Ts、Tx。材料彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3。參考《起重機(jī)設(shè)計手冊》,材料選用吊鉤專用材料DG34CrMo,屈服極限σs=587MPa。考慮到本吊具的起重量極大且為國內(nèi)首次設(shè)計,故安全系數(shù)取n=3。根據(jù)大絞支板的實(shí)際受力情況進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將應(yīng)力集中處的軸孔和凸臺精細(xì)劃分,支板自身自由劃分。約束上面兩軸孔,對下軸孔施加載荷。在工作裝置總體計算時,通常情況下都是假設(shè)絞點(diǎn)力是以集中力的形式發(fā)生作用的,這樣計算出來的結(jié)果與實(shí)際情況有偏差。文中對絞支板進(jìn)行有限元分析時,支板所承受的總拉力P是通過軸孔壁以沿弧長分布壓力p的形式傳給銷軸的,可假定p是沿弧長按正弦規(guī)律分布如圖4。p=pmax·sinφ(1)由平衡條件可得:P=2∫π/20p?r?sinφdφ=2pmax?∫π/20sin2φdφ=πrpmax2?pmax=2P2πr(2)Ρ=2∫0π/2p?r?sinφdφ=2pmax?∫0π/2sin2φdφ=πrpmax2?pmax=2Ρ2πr(2)吊具的額定起重量為2500t,考慮到風(fēng)載系數(shù)、吊具自重等因素,設(shè)定總起重量為2.7×107N,故下軸孔總拉力P為1.35×107N,則pmax=2×1.35×1073.14×250×Tx=34440Txpmax=2×1.35×1073.14×250×Τx=34440ΤxMPa(3)以線載荷的形式分布在下半軸孔上,加載函數(shù)可定義為34440*cos(0.00628)*{X})/Tx,應(yīng)力云圖結(jié)果可見圖10。2.3基于目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計對于通用的機(jī)械零部件設(shè)計的優(yōu)化方案的問題可歸納為:在滿足一定約束條件下,運(yùn)用某種優(yōu)化方法和工具,選取恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量,使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極值。其數(shù)學(xué)模型可表示為:MinF(X)=(x1,x2,?,xn)FindX=(x1,x2,?,xn)T∈RS.tgi(X)=gi(x1,x2,?,xn)≤0?????ΜinF(X)=(x1,x2,?,xn)FindX=(x1,x2,?,xn)Τ∈RS.tgi(X)=gi(x1,x2,?,xn)≤0}式中:F(X)為目標(biāo)函數(shù);X為設(shè)計變量;S.tgi(X)為狀態(tài)變量作為約束條件,n為設(shè)計變量的個數(shù)。進(jìn)入ANSYS的DesignOPT模塊進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)置如下:目標(biāo)函數(shù)F(X):即優(yōu)化設(shè)計的最終目的,要在滿足給定的條件下使得其重量達(dá)到最小,對于密度均勻的結(jié)構(gòu)件,就是要使得其體積最小?？捎谩癳table,evolume,volu;ssum;*get,Vtot,ssum,item,evolu”命令獲得總體積Vtot。鑒于設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)的公差可以控制優(yōu)化過程的收斂性,公差設(shè)置過大會使得優(yōu)化過程自動停止而得不到最優(yōu)解,太小而讓優(yōu)化過程迭代次數(shù)過多,且體積數(shù)值較大,綜合考慮設(shè)置目標(biāo)函數(shù)公差為1。設(shè)計變量X:初選參數(shù)化建模的各參數(shù)作為設(shè)計變量,包括支板厚度T、上凸臺半徑Rs、厚度Ts、下凸臺半徑Rx、厚度Tx。參考默認(rèn)公差為0.01×(上限-下限),將設(shè)計變量的公差均設(shè)為0.5。狀態(tài)變量S.tgi(X):通常是控制設(shè)計變量的因變量數(shù)值,考慮要滿足結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度條件,故將最大應(yīng)力值作為狀態(tài)變量。用“*get,smax,sort,,max”命令來獲取最大應(yīng)力Smax,設(shè)置Smax≤σS/n=587/3=196MPa。狀態(tài)變量的公差用來判別可行解和不可行解。參考默認(rèn)公差0.01×(上限-下限),將其公差設(shè)為0.5。2.4局部敏感性分析為提高設(shè)計效率、減少各變量之間的干擾,優(yōu)化過程只選取靈敏度較大的參數(shù)作為設(shè)計變量。采用ANSYS中梯度工具來搜尋設(shè)計域(DV),用一個指定設(shè)計作為參考點(diǎn),并稍稍改變每個設(shè)計變量值(DV),查看其對狀態(tài)變量(SV)和目標(biāo)函數(shù)(OBJ)的斜率,以決定局部敏感性來探測設(shè)計空間。圖5和圖6分別為最大應(yīng)力Smax和總體積Vtot基于各設(shè)計變量±1%的波動而改變的輸出圖。從圖中可看出,T、Rx對目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量的影響斜率都很大,Tx對最大應(yīng)力的靈敏度也較明顯,故選T、Rx和Tx作為優(yōu)化設(shè)計中的設(shè)計變量。2.5大絞支板循環(huán)設(shè)計結(jié)果在進(jìn)行優(yōu)化之前,通過隨機(jī)工具選擇其中的可行解,可將其作為優(yōu)化設(shè)計的起點(diǎn),同時排除掉一些不可行解,不僅能提高后續(xù)優(yōu)化的效率,而且可為設(shè)計變量邊界值的選取提供參考。表1中采用隨機(jī)工具得到1為本次隨機(jī)產(chǎn)生的最優(yōu)解(帶*均表示為本次循環(huán)最優(yōu)解),4和5為不可行解(狀態(tài)變量超出范圍)。一級優(yōu)化設(shè)計空間:300≤Rx≤450,100≤T≤200,250≤Tx≤300,公差均設(shè)為0.5。以*1作為本次循環(huán)設(shè)計空間的起始點(diǎn),采用零階方法進(jìn)行優(yōu)化。表1中一次優(yōu)化的結(jié)果顯示13為最優(yōu)解,其中11、12和13的Rx值、T值依次逼近邊界值450和100,可推測邊界值外可能有更優(yōu)解。二級優(yōu)化設(shè)計空間:300≤Rx≤500,60≤T≤200,Tx和公差不變。表1中二次優(yōu)化結(jié)果表明17為最優(yōu)解,其中16和17Rx值、T值依次逼近邊界值500和60,邊界值外可能會有更優(yōu)解。結(jié)合大絞支板實(shí)際受力情況和結(jié)構(gòu)分布的合理性,T的設(shè)計空間不允許繼續(xù)擴(kuò)充。三級優(yōu)化設(shè)計空間:300≤Rx≤520,T、Tx和公差不變。表1中三次優(yōu)化結(jié)果顯示17仍為最優(yōu)解,且連續(xù)六次迭代沒有產(chǎn)生更優(yōu)解,22、23的Rx差值小于公差值,滿足優(yōu)化準(zhǔn)則,確定第17次迭代達(dá)到收斂并出現(xiàn)最優(yōu)解,退出OPT。3應(yīng)力分布云圖分析圖7、8和9分別為設(shè)計變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)的迭代關(guān)系圖,可以很直觀地看出各變量在迭代過程的變換情況以及設(shè)計變量的何種變換趨勢最利于目標(biāo)函數(shù)減小。圖中顯示合理地增加Rx同時減小T,保持Tx的值幾乎不變,既滿足了最大應(yīng)力的要求又能大幅度地減小體積,達(dá)到了體積最優(yōu)的目的。圖10和圖11分別為優(yōu)化前后的應(yīng)力分布云圖,可分析出:優(yōu)化前后兩圖的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在下軸孔的水平內(nèi)側(cè),符合實(shí)際情況。圖10的應(yīng)力分布不均勻,應(yīng)力變化梯度較大,且存在大面積低應(yīng)力區(qū)域,導(dǎo)致許多強(qiáng)度富余使得材料浪費(fèi)的部位,尤其是上半部分。圖11對比圖10,很明顯原來應(yīng)力較小、材料富余區(qū)域的應(yīng)力有了明顯的上升,使材料利用率大大提高,同時應(yīng)力分布梯度也非常合理。表2為優(yōu)化結(jié)果的對比分析,表中數(shù)值顯示通過基于ANSYS的優(yōu)化設(shè)計,在滿足最大應(yīng)力的前提下,對下軸孔的凸臺半徑加大26.1﹪、厚度增加0.99﹪且支板厚度減少59.8﹪,使得大絞支板自重減輕的效果非常顯著,高達(dá)41.5﹪。4結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析基于ANSYS有限元軟件,對2500噸環(huán)軌式起重機(jī)吊具大鉸支板進(jìn)行參數(shù)化建模和分析,用更貼近實(shí)際情況的正弦應(yīng)力分布來實(shí)施加載,計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。在滿足強(qiáng)度和