基于ANSYS的起重机若干结构部件的优化设计

2010-04-17邱正勋

科技传播 2010年12期

邱正勋

山东万斯达集团有限公司，山东济南 250014

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。利用ANSYS有限元软件包，工程技术人员可以建立零部件、产品以及结构等的三维模型，通过设计参数进行模拟计算，检验设计对象是否符合要求。这样一来，ANSYS能够帮助设计人员有目的开发产品，减少材料浪费、制造成本和设计时间，提高了设计效率和新产品的质量。

1 ANSYS的实体建模

一旦定义了材料特性，在分析中下一步是建立能够恰当反映模型几何性质的有限元模型。模型建立方法：1）直接生成法；2）实体建模法：几何模型+网格划分。

建模原则：建立有限元模型时，对于结构形势复杂，而对于要分析的问题来讲又不是很关键的局部位置，在建立几何模型时可以根据情况对其进行简化，以便降低建模难度。

建模方法选择：

1）直接生成方法必须直接确定每个结点的位置，以及每个单元的大小、形状和连接关系，工作量大。直接生成法法适用于小型简单模型。缺点是改变网格和模型十分困难，易出错。当模型复杂时，直接生成法叫人无法忍受。

2）实体模型法是先生成几何模型，在进行网格划分，相对来说容易些，适用于庞大而复杂的模型，特别是三维实体模型，它比直接生成法更加有效和通用，是一般建模的首选方法。其优点是便于几何上的改进和单元类型的改变，容易实现有限元模型的生成；缺点是在某些条件下ANSYS可能不能生成有限元网格。

3）实体建模中的几何模型的生成方法。对于不太复杂的模型，可以直接ANSYS的实体建模工具完成[Main Menu]Preprocessor/Modeling，如果模型过于复杂，可以考虑在专用的CAD中建立结婚模型，然后通过ANSYS提供的接口导入模型，导入方法：[Utility Menu]File/Import

ANSYS支持的接口通常包括以下类型：IGES、CATIA、Pro/E、UG、SA等。

同时，ANSYS软件中还具有参数化建模的功能，对一些型式比较固定的模型使用参数化建模，仅通过修改几个参数就能完成模型的修改和重算设计效率极高。但该法在比较复杂的模型中使用效果不好。

2 优化设计的基本概念

所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出(如重量、面积体积、应力、费用等)最小。也就是说，最优设计方案就是一个罪尤效率的方案。

设计方案的任何方面都是可以优化的，实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可进行优化设计。这些参数统称为优化变量，具体分为设计变量、状态变量和目标函数：

设计变量为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。状态变量是约束设计的数值。它们是“因变量“，是设计变量的函数。状态变量可能会上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。

3 设计实例

3.1 定柱式悬臂起重机的优化设计

选择好设计变量后，用这些设计变量作为参数建立模型。这个工作在前处理器PREP7中完成。由于一开始是选用GUI交互方式建立的起重机机械结构的有限元模型，因此将ANSYS的LOG文件作为基础来建立优化模型。分析文件应当覆盖整个分析过程并且是简练的，为提高优化效率，要去掉与优化分析本身无关的命令。模型的简化过程保持计算偏差8%以内。提取简化模型中的节点、单元、形参、单元类型等信息，控制单元数目，生成优化文件。

选择结构的强度以及横梁的刚度作为状态变量，选取机械结构的重量作为目标函数，通过改变设计变量，在满足应力强度以及横梁下挠度刚度的条件下，对机械结构的重量进行最小优化设计。

现将优化设计与传统设计结果对比按强度与刚度水平进行评价，结果见表1。

表1

通过表1的数据对比表明:基于ANSYS分析而优化的产品，较好地协调了旋臂起重机结构各部件的力学性能，合理地匹配了各结构部件的尺寸，尽量地提高了材料的利用率，达到经济性和可靠性的良好匹配。

3.2 桥式起重机主梁优化设计

主梁结构优化的过程中，结构轻量化是主要目标，主要约束条件（即状态变量）是构件的最大应力和挠度。根据前述对主梁的结构分析结果，取各板材的厚度δi为设计变量。

定义8个优化设计变量A={δ1，δ2…δ8}，分别对应主梁各构件板材的厚度。强度和刚度是最基本的2个指标，本文中即以这2个指标作为约束，应力约束的范围取材料的许用应力即176MPa，挠度范围为[0，37.5mm]。主梁体积最小为目标函数.

应用ANSYS自带的优化模块进行优化设计，结果表明：1）主梁减重1727kg，占原设计总重的13.6%，优化效果明显；2）优化后强度和刚度性能仍满足要求；3）除主梁中部构件应力较大之外，其余构件还有一定的强度储备，如进一步采用形状优化或拓扑优化的方法，重量还可以进一步减轻，应力分布还可以更加合理，更有利于材料的充分利用；4）通过本文对桥式起重机主梁的仿真设计，设计者可在起重机主梁研制出来之前对主梁应力和变形以及稳定性有一个较为准确的了解。