基于结构仿生的塔式起重机臂架优化设计初探

2018-03-02王波韦何耕张浩强

中国设备工程 2018年4期

王波，韦何耕，张浩强

（河池学院物理与机电工程学院，广西宜州 546300）

1 臂架有限元模型建立及分析

1.1 基本参数

QTZ40塔式起重机臂架的额定起重力矩、最大起重力矩分别为400kN·m、454kN·m，起升高度为30m，最大起重量为4t，起重速度和小车运行速度分别为 17.5～35m/min、38m/min，工作幅度 Rmax=40m、Rmin=2m。结合《塔式起重机设计规范》（GB/T13752-1992），可确定研究对象塔式起重机利用等级为U4、载荷状态为Q2、起升等级为HC2、工作级别为A4。研究用QTZ40塔式起重机臂架为小车变幅水平臂架，标准节长度为6m，一个延长节的长度为3.84m，截面形式为正三角形截面，采用人字式布置方式腹杆体系，杆件材料为Q345，弹性模量、泊松比、密度分别为210GPa、0.3、7800kg/m3，表1为QTZ40塔式起重机杆件截面几何特性参数。

表1 QTZ40塔式起重机杆件截面几何特性参数

1.2 受力分析

具体分析如下：（1）起升载荷。结合《塔式起重机设计规范》，可求得起升动载系数φ2=1.05+0.4（vh-0.2）=1.2，由此即可应用公式求得准确率较高的起升载荷，公式中的Cp代表额定起重量。（2）自重载荷。为弥补ANSYS模型存在的计算不足，本文选择了8500kg/m3作为臂架金属结构材料密度，并由此进行自重载荷的计算。（3）风载荷。围绕工作状态下的风载荷，取计算风压pw=250MPa，可使用公式完成风载荷的求得，公式中的分别为作用在臂架上的风载荷、风力系数、计算风压、计算面积。

1.3 分析计算

完成臂架有限元模型建立后，可开展如下分析计算。

（1）静力学分析。起升载荷在吊臂最大起升幅度处、吊臂外跨中位置处、吊臂内跨中位置处三种特殊工况施加，由此可求得起升载荷分别为11760N、25754.4N、47040N，分配到各接触点的集中力则分别为5880N、12877.2N、23520N。结合ANSYS建立的臂架位移云图、应力云图，即可求得三种工况的最大位移分别为278.07mm、251.76mm、252.94mm，最大应力则为 147MPa、176MPa、227MPa，由此可见QTZ40塔式起重机不仅满足了设计规范要求，本身还存在着一定材料剩余，这就为更深入研究提供了契机。

（2）模态分析。采用ANSYS中的Block Lanczos方法开展模态分析，求得了臂架前四阶表现分别为水平面内左右摆动、垂直平面内点头运动、扭转、中部弯曲，固有频率分别为0.5580Hz、2.5837Hz、3.1922Hz、3.3246Hz，可以断定起升机构、顶升机构、变幅机构和回转机构的运动和风载均可能引发臂架振动，其中货物的快速起升、制动、卸载危害极为严重，

这点需要得到高度重视。

2 臂架仿生优化设计

2.1 仿生原型选择

开展王莲和塔式起重机臂架的相似性研究，采用模糊相似性分析评价方法最终求得了二者的相似度为0.723，由此可见王莲能够较好胜任QTZ40塔式起重机臂架仿生原型角色。

2.2 拓扑优化

结合测量和分析，可以确定王莲叶脉具备结构交错、沿其伸展方向逐渐变细、各级叶脉之间呈一定角度、通过各级叶脉相连而成的特性，这些最终使得王莲叶脉凭借网状结构实现了载荷的分割和分层传递。最终，确定了由三个面和两条拉杆组成的面厚70mm、拉杆直径80mm、材料为Q345的优化模型，图1为这一拓扑优化结果示意图，QTZ40塔式起重机臂架的体积由此实现了60%的减少。

图1 拓扑优化结果示意图

2.3 仿生优化方案确定

结合图2开展分析，可以确定该拓扑优化结果存在部分腹杆太粗、未完全吃透王莲叶脉精华方面的欠缺，因此确定了设立三级腹杆、结合王莲叶脉黄金分割定律、适当增加腹杆分布密度的优化方法，这一优化主要是为了保证王莲的结构优势能够较好融入塔式起重机臂架设计，图3为仿生模型两侧面腹杆体系，由此即可更深入了解这一仿生优化方案。

3 仿生臂架有限元分析及结果比较

选用Beam188单元进行建模，最终取得了如图2所示的臂架仿生模型，该模型采用的钢结构截面参数为：上弦杆φ108×8、φ89×7，腹杆φ38×3，下弦杆∠70×6、∠63×5。

3.1 分析计算

具体分析如下所示：（1）静力学分析。三种工况的最大位移分别为273.49mm、193.25mm、231.52mm，最大应力则为 118MPa、103MPa、181MPa，由此可见仿生臂架满足了强度、刚度要求。（2）模态分析。同样采用Block Lanczos方法，通过分析前四阶模态，最终确定了前四阶固有频率分别为0.8446Hz、2.5961Hz、3.2604Hz、3.5593Hz。