论文T6510塔机起重臂参数化设计和优化，该文是起重有关专科开题报告范文与参数化设计和塔机和T6510方面本科论文范文.
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,"DesignOpt"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.1672-3198.2018.25.088
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"DesignOpt"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.
"DesignOpt"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
起重臂在竖直方向主要受自重载荷、起升载荷,水平方向主要受风载荷、惯性载荷,如图2所示.
根据吊重在起重臂上不同的位置、起重臂与标准节角度、风载荷的方向,得到主要极限工况如表2所示.
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等于210GPa,泊松比：0.3,密度：7.8t/m^3.拉杆与塔帽顶部连接处、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.
部分程序如下：
*do,i,1,47
k,i,1412*i,0,0
k,i+47,1412*i,1412,0
*enddo
…
*do,i,1,46
lstr,i,i+1
lstr,i+47,i+48
*enddo
…
根据计算,后四种工况对起重臂的力学性能影响不大.本文只考虑最大起重量、最大起重力矩、最大幅度吊载时,风从侧向吹起重臂的前三种极限工况.
Ansys中各工况载荷如图3.
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.
对应的数学模型：
min(wt)
st:gu(x)≥0,u等于1,2,3,…,m
hv(x)≥0,v等于1,2,3,…,n
wt表示起重臂、拉杆总重量；
gu(x)≥0表示相关设计变量的约束；
hv(x)≥0表示相关状态变量的约束；
所有工况中,前三种极限工况能有效对起重臂的计算加以约束.各设计变量、状态变量、目标函数如表3、图4所示.
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
［1］张涛.ANSYSAPDL参数化有限元分析技术及其应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社,2013,(3).
［2］金玉萍.QTZ63塔式起重机有限元分析［J］.浙江工业大学学报,2010,38(3):242-245.
［3］陈爱华,郑军,秦仙蓉.基于APDL命令流的塔式起重机金属结构参数化建模与分析［J］.起重运输机械,2013,(06).
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