基于ANSYS的門式起重機有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、基于Q N;H;的門式起重機有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化陳世教,夏!鋁,楊!旭,薛志武(重慶大學(xué)!機械工程學(xué)院!重慶!#!摘要!利用M?:6:有限元軟件研究某門式起重機在不同工況下整體結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況!以判斷起重機的整體結(jié)構(gòu)是否合理!是否達到剛度及強度要求!并在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化!得到結(jié)構(gòu)整個桿件的合理尺寸!減輕了結(jié)構(gòu)的重量!降低了成本!關(guān)鍵詞!M?:6:有限元分析#門式起重機#結(jié)構(gòu)優(yōu)化!中圖分類號&=$.(%!文獻標識碼*!文章編號#+%!,#$#$#+#%+#!K,2/+2$/#,#$-#2%0&20%(12,+0+(.1(%2$/&%$F$#-(Q N;H;?:;0+d097!,5M

2、4T!6M?c,8!,P;0+Q8門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)重量通常占到其整機重量的#h以上!其金屬機構(gòu)的設(shè)計及力學(xué)性能對門式起重機的工作有至關(guān)重要的影響本文以某門式起重機為研究對象進行有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 圖4!門式起重機示意圖4!門式起重機有限元模型的建立464!主要性能參數(shù)該機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下$跨度(%D!起升高度-%D!主起升機構(gòu)額定起重量$#V!副起升機構(gòu)額定起重量.#V!工作風壓%#C9!主起升速度#(.!(%D%D01!小車運行速度#(!#D% D01!大車運行速度#(!%D%D01門式起重機整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示465!有限元模型單元的選擇該門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)屬于對稱結(jié)構(gòu)!根據(jù)其

3、結(jié)構(gòu)型式及載荷特點!進行整體空間立體分析針對該桁架結(jié)構(gòu)中有主梁上&下弦桿及支腿上&下橫梁等多種非標準型材截面!需要自定義截面形式!因此選用b H9DN N單元*H9DN N單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)!該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論!并考慮了剪切變形的影響 *H9DN N是三維線性$節(jié)點(或者二次梁單元!每個節(jié)點有個或者-個自由度!自由度的個數(shù)取決于_6O C&(的值當_6O C&(F#缺省(時!每個節(jié)點有個自由度$節(jié)點坐標系2&L&a 方向的平動和繞2&L&a軸的轉(zhuǎn)動#當_6O C&(F時!每個節(jié)點有-個自由度!引入了第-個自由度即橫截面的翹曲這個單元非常適合線性&大角度轉(zhuǎn)動和非線性

4、大應(yīng)變問題對門式起重機結(jié)構(gòu)模型進行單元劃分后共得到$%個b H9DN N單元5!結(jié)構(gòu)靜強度分析564!載荷處理和工況選擇作用在該門式起重機上的載荷主要有$起重機金屬結(jié)構(gòu)的自重!大&小車運行制動產(chǎn)生的慣性載!收稿日期$#E#N E.#!通訊地址夏鋁,重慶市重慶大學(xué)機械工程學(xué)院七教%#室 荷!起升下降制動的慣性載荷!風載!小車自重及額定起重量!其它設(shè)備如電梯操作室的自重等#對加強筋等的重量則通過調(diào)整材料的密度因子使之符合設(shè)計圖紙中的結(jié)構(gòu)重量#約束處理為$支腿一側(cè)作為剛性固定處理!另一側(cè)約束%個自由度!車輪沿軌道方向移動自由度不約束#對該起重機按照第二類載荷組合!即起重機正常工作條件下的最大載荷進行

5、強度計算#結(jié)構(gòu)主要部件均采用j .!%鋼!按第二類載荷組合計算時!安全系數(shù)取(.!則j .!%,!76歐拉臨界載荷#.(!(!斜腹桿的單肢穩(wěn)定性約束條件-F7N(+81+(-$-%式中!7N計算軸向力!?*8A結(jié)構(gòu)的毛截面面積!D D$*(根據(jù)結(jié)構(gòu)的最大長細比或最大換算長細長選取的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)# .(!(%!上弦在起升機構(gòu)小車車輪的輪壓作用下的強度計算約束條件7N81X;Q2+(-$N%式中!7N計算軸向力!?*81結(jié)構(gòu)的毛截面面積!D D$*Q2上弦桿截面的抗彎模量*;上弦輪壓局部彎矩#.(!(!設(shè)計變量上&下限約束-D01+-+-D92+0F!$!.,$% 式中!-D 01+!-D

6、 92+ 設(shè)計變量的上限與下限#由以上分析知!,%即主梁斜腹桿所產(chǎn)生應(yīng)力超過許用值!因此把設(shè)計變量,%的下限值提高!即增大主梁斜腹桿的截面面積!以降低應(yīng)力值#在求出最優(yōu)解后!對設(shè)計變量進行圓整處理!其結(jié)果見表$#表5!優(yōu)化前后設(shè)計變量及主要參數(shù)比較設(shè)計變量原設(shè)計值優(yōu)化值圓整值所選鋼材,$D D .!#.$#(.$#,$D D $.%#$#($#,.$D D $%$.#%$#%#鋼板焊接,!$D D $.-#$#$.$#鋼板焊接,%$D D$.!$#!$#-,$D D$-.!.#!#N #!自重$3N $N -.%-$(%-.-(!由表$知%門式起重機主梁金屬結(jié)構(gòu)原質(zhì)量為N $N 3!經(jīng)過優(yōu)化質(zhì)

7、量降后為-.%-$3!圓整后為-.-N 3!比原設(shè)計下降(!h #769!優(yōu)化后有限元分析對主梁的金屬結(jié)構(gòu)重新建模!各參數(shù)采用設(shè)計變量圓整后的優(yōu)化值!單元類型&材料模型等與原結(jié)構(gòu)保持一致#利用優(yōu)化解建模后!按原工況進行加載求解!得到優(yōu)化后的有限元計算結(jié)果如表.和圖!&圖%所示#表7!優(yōu)化后8種工況下的位移和應(yīng)力結(jié)果工況工況工況$工況.工況!工況%位移$D D N N (!$(!(%-(-N (.應(yīng)力$B C 9-(%$#(-(!#(-$!#($ 圖8!優(yōu)化后工況4應(yīng)力分布圖圖9!優(yōu)化后工況4位移分布圖由表$可知!優(yōu)化后整個結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為$!#($B C 9!小于材料的許用應(yīng)力!所以結(jié)構(gòu)靜強度滿足要求#主梁最大計算靜撓度?FN N (!E ?3E ?P FN N (!E!(N %E%$F -(%D D結(jié)構(gòu)靜剛度滿足要求#8!結(jié)論本文利用M ?:6:有限元分析軟件對門式起重機不同工況的結(jié)構(gòu)靜強度和靜剛度進行了分析!并利用D 9V 9b 遺傳算法工具箱對一主梁結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化!優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新利用M ?:6:建模并求解!得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)靜強度和靜剛度!通過優(yōu)化!結(jié)構(gòu)的重量減輕&強度和剛度滿足設(shè)計要求#!參考文獻(張質(zhì)文(起重運輸機械B (北京%人民鐵道出版社!N %($(寧朝陽(橋式起重機箱形主梁優(yōu)化設(shè)計軟件G (北京%起重運輸機械!$#(.(趙經(jīng)文!王宏鈺(結(jié)構(gòu)有限元分析B