基于AnsysWorkbench欧式起重机端梁结构优化

赵 含

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

基于AnsysWorkbench欧式起重机端梁结构优化

赵 含

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

通过Pro/E软件对欧式起重机端梁进行三维建模，利用有限元软件AnsysWorkbench对欧式起重机端梁进行刚强度分析。根据计算结果利用AnsysWorkbench的优化模块对其进行结构优化，为类似端梁的设计计算提供了参考。

欧式起重机端梁； 有限元； 设计优化； AnsysWorkbench

0 引言

欧式起重机以其设计理念独特，具有自重轻，能耗低，结构小巧的特点。因此，采用欧式天车的铝电解厂房在设计上可以大大节约新厂房的空间，在厂房初期建设的时候，投入的初期建设投资可以降低，而且在空调、长期供热及一些其他维护费用上也可以节省大量的资金，起到为铝厂节能降耗的目的。

欧式起重机端梁作为欧式起重机主要的承载部件，对其刚强度都有较高要求。本文利用有限元分析软件AnsysWorkbench对其进行刚强度进行核算与优化，分析了其变形与应力的分布规律，为类似端梁的设计计算以及其它起重机结构改造等提供了参考。

1 有限元分析基础理论

每一种自然现象都是能够用相应的物理定律解释的，这些物理定律的表现形式往往是些方程。这些方程通常称为控制方程。计算机问世以后有限元方法迅速发展成长起来，它是一种非常强大的分析方法。在工程实际当中，根据相应的运动机理或者连接形式想要推导出方程中并不是一个很困难的工作，但是要获得问题的解析的数学解却是一个非常困难和复杂的过程。工程师们的解决方案多采用数值方法给出近似的满足工程精度要求。有限元分析方法就是一种十分广泛运用的数值分析方法。

有限元方法是处理连续介质问题的一种普遍方法，其基础是离散化，即将模型离散成N个小结构。这种思想自古已经存在。齐诺(Zeno公元前5世纪前后古希腊埃利亚学派哲学家)曾说过：空间是有限的和无限可分的。因此可以得知，事物的存在一定有大小之分。计算圆的周长或面积时，古人就采用了这种离散化的逼近的方法。因此，有限元分析法是一种有历史依据，高效快速，而且越来越受到很大关注度的分析方法。

2 欧式起重机端梁的基本参数

欧式起重机端梁，其主要设计参数为：

盖板和腹板材料 Q345

弹性模量2.06×1011Pa

密度7850 kg/m3

筋板 材料Q345

弹性模量2.01×1011Pa

密度7800 kg/m3[2]

欧式起重机端梁总长：5.8 m，上下盖板厚度16 mm，腹板厚度10 mm；出铝小车轮距为5200 mm，两个车轮轮压分别为501.5 kN和415.6 kN。

3 欧式起重机端梁有限元分析

3.1 欧式起重机端梁有限元模型的建立

按照设计图纸尺寸将用Pro/E软件建立的欧式起重机端梁的三维实体模型，通过Pro/E与ANSYS Workbench之间的无缝连接导入。采用Solid187单元，Solid187由10个节点定义，每个节点3个自由度：x,y,z三个方向。该单元具有空间的任何方向，有塑性，超弹性，应力强化，蠕变，大变形，大应变能力。所以Solid187单元可以满足欧式起重机端梁的计算要求。

最终欧式起重机端梁的网格模型节点数为46035，单元数为6408，见图1。

图1 欧式起重机端梁有限元模型

3.2 欧式起重机端梁边界条件

3.2.1 约束施加方式

考虑实际端梁结构形式，对端梁车轮位置施加远端约束，端梁的一端仅释放在垂直平面内的旋转自由度(本模型为RotZ)；另一端释放垂直平面内的旋转和沿端梁长度方向移动这2个自由度(本模型为RotZ和UX)。

图3 端梁的挠度变形云图与变化曲线

3.2.2 载荷施加方式

欧式起重机端梁承受几乎整个起重机及其额定吊重重量，由于端梁自重较其承受的载荷相差很大，本例直接取起重机最大轮压值作为相应端梁的载荷进行计算，载荷分别为F1=501.5 kN和F2=415.6 kN，见图2。

图2 欧式起重机端梁的边界条件加载图

3.3 结果及分析

3.3.1 欧式起重机端梁的静刚度校核

根据计算，端梁的受载后的变形情况及长度方向各位置变形位移值见图3。其中，最大变形为4.79 mm，位于端梁的中部。

3.3.2 欧式起重机端梁的静强度校核

由图4可知筒体吊装工具的应力最大位置为垫板与端梁上盖板连接处，最大应力为148.26 MPa，由于垫板与端梁上盖板是螺栓把合的连接，为了方便模拟现将其按绑定处理，所以边角处的应力值大属于应力奇异现象，根据圣维南定理可去除应力奇异部位的影响区。提取端梁上盖板中部的应力分布曲线可知，应力最大值为80.78 MPa。

图4 端梁的强度云图与变化曲线

根据上述对端梁的静力学分析，该端梁在挠度方面有可改善提高之处。下面将通过AnsysWorkbench中Response Surface进行优化。

4 结构优化

4.1 优化设计的介绍

随着CAE技术的发展，优化设计在产品设计开发中越来越受重视与推崇，并且使用的方法和途径日趋增多。AnsysWorkbench下集成的DesignXplorer模块为优化设计提供了一个接近于完美的方案，其易用性也较传统的Ansys软件增强了很多。在CAD中建立的模型需改进的设计变量和对其变量进行参数化，传递到AnsysWorkbench当中，在DesignXplorer下设定好约束条件及设计目标后，可以对设定的变量进行逐一计算并返回相关图表。

4.2 欧式起重机端梁优化设计

根据上述计算，若按照GB/T3811—2008《起重机设计规范》刚度的最高要求，高定位精度要求下挠量小于跨度/1000来判定端梁刚度，其完全满足条件。然而，起重机的使用要求最多只需要中等定位精度。因此，该端梁结构远远强于所需。本文采取对端梁的上盖板优化，对上盖板数值在Pro/E中进行参数化，导入到AnsysWorkbench中进行Response Surface优化，设置上盖板厚度变化范围12～20 mm，并计算其挠度值，见图5。

图5 优化设计点和与其对应厚度值

由图6上盖板厚度值与挠度值变化曲线可知，上盖板厚度最小值为为12 mm时，上盖板挠度值为5.14 mm，满足相关标准和设计要求。

图6 上盖板厚度值与挠度值变化曲线

Design Explorer是ANSYS Workbench集成的一个产品性能快速优化工具。它主要是对产品中相对主要的参数尺寸进行优化，并提供一系列解决方案，从而能够使设计者了解这些参数的敏感性，在提高产品的可靠性和降低生产成本间为设计者找到个突破口。在Workbench中所有这些任务都是利用Response Surface完成的。因此运用该设计工具对欧式起重机端梁进行优化，对该结构降低成品，提高生产效率有着重要的作用。

5 分析结论

(1)由以上强度变形云图可知，最大应力为148.26 MPa，位于垫板与端梁边角接触的位置，此位置考虑应力奇异现象，根据圣维南定理去除应力奇异部位的影响区，提取端梁上盖板中部的应力分布曲线可知，应力最大值为80.788 MPa，取安全系数1.5，动载荷系数1.25，345 MPa/1.25/1.5=184 MPa>80.788 MPa，因此该端梁强度满足要求。

(2)由结构优化结果上盖板厚度值与挠度值变化曲线可知，当上盖板厚度为12 mm时，最大的下挠量为5.14 mm，位于端量的中部，参照《钢结构设计规范》GB50017—2003[3]和《起重机设计规范》GB/T3811—2008[4]欧式起重机端梁的刚度均满足要求，建议采用厚度为12 mm上盖板，在能够保证刚度并满足一定约束条件的前提下，降低了生产成本。

(3)本文中未考虑材料本身缺陷、焊接变形和质量问题等意外情况，若需考虑，建议最终取值根据上述计算结果适当增大。

[1] 李强，高耀东.有限元技术的发展及其在机械工程中的应用[J].数字制造科学，2003，(1):1-4.

[2] 成大先.机械设计手册(第三版)[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3] GB/T3811—2008，起重机设计规范[S].

[4] GB50017—2003，钢结构设计规范[S].

Structure Optimization of End Beam of the European Crane Based on ANSYS Workbench

ZHAO Han

The paper makes modeling three-dimensional to the end beam of European crane by Pro/E software, analyses the stress and displacement of the European crane beam by the finite element software ANSYS Workbench, optimizes its structure by using ANSYS workbench according to the calculated results, which can be a reference to design and calculation of the similar racks.

the European crane beam； finite element； design optimization； ANSYS workbench

2014-12-10

赵 含(1973-)，男，内蒙古赤峰人，高级工程师，大学本科，主要从事设计研发工作。

TP391

B

1003-8884(2015)01-0035-04