基于ANSYS Workbench的内门架优化设计

2014-05-10刘晓立于治福范进桢

河北工程大学学报(自然科学版) 2014年1期

孟琨, 刘晓立，于治福, 范进桢, 张松

(1.河北工程大学机电学院，河北邯郸 056038； 2.宁波职业技术学院，浙江宁波 315800)

1内门架三维模型的建立

起吊设备内门架主要由立柱、上横梁、下横梁、滚轮轴及顶块组成。本文采用Solidworks软件对内门架进行三维参数化建模，建模过程忽略对分析结果影响很小的倒角，以减少分析时的计算量，节约时间[3]。设定的尺寸参数为立柱腹板高度一半DSD1，立柱翼缘板宽度DSD2，立柱翼缘板厚度 DSD3，立柱腹板厚度DSD4。

2内门架有限元分析

2.1建立有限元模型

将内门架三维模型导入ANSYS Workbench后，首先赋予其材料属性[4]。内门架采用材料16Mn，其弹性模量E为2.06×1011Pa，泊松比μ为0.3，密度ρ为7 850 kg/m3，屈服强度为345 MPa，取安全系数2.5。然后对其进行网格划分，本文采用ANSYS Workbench默认的自由网格划分方法进行初步网格划分，再对局部进行细化，总计生成24 614个单元，53 131个节点。

2.2施加载荷及约束

在工作过程中，当叉架承载着额定载荷的物体起升至最大起升高度，此时为最危险工况。针对内门架在最危险工况时的状态，对叉架的上下滚轮与内门架翼缘接触区域施加9 321 N的力，对两个上滚轮轴施加Y方向位移约束，对两个下滚轮轴施加全自由度约束。施加载荷及约束后的模型如图1所示。

2.3结果分析

经求解，得到内门架等效应力云图如图2(a)所示，最大应力出现在上滚轮轴与内门架立柱连接处，大小为120.42 MPa，则安全系数为2.86；等效位移云图如图2(b)所示，最大位移出现在内门架顶端，大小为3.81 mm，而许用挠度为10 mm，均满足设计要求。

3内门架优化设计

3.1确定目标函数

为了实现内门架在减少质量以达到提高经济效益的同时，静态性能不降低的目标，现以立柱截面尺寸为设计变量，强度、刚度为约束条件，内门架质量最小为目标进行优化设计。

3.2优化尺寸灵敏度分析

通过灵敏度计算各优化尺寸对响应的导数，明确结构响应对优化尺寸的敏感程度，可确定优化尺寸对内门架各性能参数影响的大小，并将灵敏度较大的尺寸作为最终的优化尺寸即输入参数进行优化，可提高优化效率[5]。

由图3可得，内门架质量随着4个优化尺寸的增大而增大，刚度随着4个优化尺寸的增大而减小，而优化尺寸对强度的影响正负不一，其随着DSD1、DSD3、DSD4增大而减小，随着DSD2增大而增大[6]。通过分析，4个优化尺寸对内门架质量、刚度、强度的影响因子均较大，因此作为最终的优化尺寸进行优化，不再删减。

3.3输入参数响应

现以保持立柱翼缘板宽度和厚度不变为例，观察立柱腹板高度和厚度对内门架质量、刚度及强度的响应，如图4所示，其余变量的响应均类似，不再赘述。从反映输入参数与输出参数的响应曲面可知，内门架质量与强度、刚度呈现制约关系，随着立柱腹板高度和厚度的减小内门架质量也相应减小，但是其刚度和强度会随之增大[7]，这也验证了优化尺寸灵敏度分析的正确性。由于不可能出现三者同时达到最小的目的，现以减少内门架质量为优先优化目标进行优化设计。

Analysis on the characteristics of the water burst in the construction period of the

3.4优化设计

ANSYS Workbench中的Design Explorer模块作为一种快速优化工具，采用实验数据法(即DOE法)，根据需要优化的参数的数目，通过蒙特卡罗抽样技术，采集设计参数，计算每个样点的响应结果，并可利用二次插值函数构造设计空间的响应面云图或响应曲线，从而实现多目标优化[8-9]。

优化过程中，参数DSD1初始值为66.5 mm，设定变化范围为60～75 mm；参数DSD2初始值为50 mm，设定变化范围为44～55 mm；参数DSD3初始值为16 mm，设定变化范围为12～17 mm；参数DSD4初始值为12 mm，设定变化范围为9～13 mm。设定样本数为5 000。按照设定的优化目标，Design Explorer将会产生候选的优化设计点，将其中一组最优设计点作为正式设计点，并按该设计点的尺寸对原有模型进行再生[10]，对新生成的内门架模型进行有限元分析，优化前后各参数数值对比如表1所示。