T6510塔机起重臂参数化设计与优化

张齐伟　向兰珍　黄新霞

摘要：塔机设计计算中，起重臂结构复杂，参数化建模可有效节省设计优化时间。ANSYS中参数化设计语言可在塔机起重臂优化设计中得到有效应用。以起重臂、拉杆为研究对象，运用APDL语言建模，“Design Opt”模块自带算法，优化了起重臂结构。优化后的起重臂结构合理，可靠性好。

关键词：塔机；起重臂；APDL；Opt；优化

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.25.088

1概述

塔式起重机由钢结构、传动机构、控制系统等组成。合理的钢结构保证了塔机的整体稳定性。塔机结构设计是以安全为前提，满足起重性能，使整体结构轻量化。塔机起重臂为空间桁架结构，各节起重臂通过销轴连接。起重臂是塔机的重要部件，良好的结构形式能够提升塔机的起重性能。起重臂的优化可以使起重臂轻量化，提升市场竞争力。运用APDL能够实现参数化建模、施加载荷、求解，便于优化分析。模型参数修改容易，极大提高了分析求解效率。APDL参数化有限元分析需定义一个分析文件和优化文件。一个完整的分析文件包含完整的前处理、求解、后处理过程。与通常ANSYS求解不同的是要首先定义参数化变量，确定设计变量、状态变量和目标函数，并提取需要的参数值。优化文件中要定义设计变量、状态变量和目标函数的取值范围，选择合适的优化方法求解。本文以T6510塔机起重臂为研究对象，运用APDL语言进行参数化建模，Ansys “Design Opt”模块相应算法对起重臂结构进行优化。

2优化设计

2.1结构优化分析流程

优化设计是定义参数、分析、评估、修正参数、求解的迭代的过程。结构优化设计定义的变量通常为各零部件的外形尺寸，目标函数为总重量，优化流程如图1所示。

“Design Opt”模块中的优化方法包括零阶方法和一阶方法。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以有效的处理大多数工程问题，但精确性不高。一阶方法是基于目标函数对设计变量的敏感度，更加适合于精确的优化分析。本文运用零阶方法研究整个设计空间，然后使用一阶方法在合理的设计序列中搜索最优解。

2.2工况分析

2.3起重臂模型建立及载荷

塔机起重臂由主弦杆、斜腹杆、水平腹杆焊接而成。各节臂结构形式基本相同，采用循环语句建模。建模中把起重臂和拉杆作为整体分析，其

中拉杆采用link8杆单元，起重臂采用beam188梁单元。材料弹性模量：E=210GPa，泊松比：0.3，密度：7.8t/m^3。拉桿与塔帽顶部连接处、起重臂臂根铰点需约束，限制除绕铰点转动方向的其他自由度。

2.4变量与目标函数

变量包括设计变量和状态变量。设计变量往往是长度、厚度、直径等参数。状态变量通常是控制设计的因变量数值。本文优化设计中以应力大小和最大变形量作为状态变量。目标函数为设计要达到的最小或最大化的数值，可把总体积或总重量作为目标函数。起重臂各节臂尺寸基本相同，主弦杆和腹杆尺寸略有差别。为了简化运算，本文对于各主材进行了统一处理。起重臂的各设计变量、状态变量、目标函数如表3所示。其中内吊点位置和外吊点位置为关键点编号，无量纲。对于起重臂截面的宽度和高度，考虑运行小车装配关系以及起重臂制作工装的调整难度较大，故暂时不予考虑。

2.5优化求解

优化文件中分别定义各变量的取值范围，选择零阶方法Sub-Problem和Gradient在全局范围内获取最优解，然后选择一阶方法First-Order在局部范围内获取更精确的最优解。经过多次迭代计算，得到的优化结果（表4）中各变量均为小数。根据塔机优选材料，圆整后，选择合适钢材。对比优化前后数据，得到的结果对比如表5所示。优化后起重臂和拉杆总重量降低了0.35t，减少的重量来自于主材的优化。由于主材的尺寸有所减小，最大变形量、最大应力有所增加，满足可靠性要求。内外吊点位置、塔帽高度稍有变化，可不作改变。

3结论

本文对T6510塔式起重机起重臂运用命令流建模，进行了结构优化。起重臂主材重量有所减轻，各项参数均满足要求。由于分析优化过程中对于起重臂的连接作了简化处理，优化结果与试验结果略有差别。对于变形产品的开发，参数化优化分析效率高。本文提供的方法可作为依据，有效缩短产品研发周期、降低成本，提升产品市场竞争力。

参考文献

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