基于ANSYS Workbench的多层缠绕卷筒的结构优化设计

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随着起重机朝着大起重量、大起升高度和大作业幅度的方向发展，在空间狭小的室内，体积偏大的单层卷绕卷筒成为起重机发展的瓶颈，而多层卷简就有着明显的优势，而卷筒计算有着重要影响。传统的卷筒计算方法-直沿用软筒壁厚 8等于钢丝绳直径 d的经验公式1，计算结果与实际受力情况存在较大差距；另-方面，通过强度和稳定性校核公式计算的多层卷筒又未综合考虑卷筒端侧板的影响。

借助大型有限元分析软件 ANSYS Workbench协同仿真平台 DM模型设计 、Mechanical有限元分析及 DX优化设计三大模块间无缝接 口，对多层卷绕卷筒进行整体的有限元分析，并根据分析结果对卷筒壁厚8和端侧板厚度h进行了优化。

2卷椭析模型在卷筒优化设计过程中，减少卷筒重量能够有效地减轻小车重量、降低成本，进而提高整机性能。

2.1卷筒计算参数以某风电机舱专用起重机为例，其主要的计算参数如表 1所示。

表 1卷筒特性参数Tab.1 Drum Parameters在室内，卷筒的结构会受到空间的限制，卷筒底径 D。、卷筒长度 ，J和钢丝绳缠绕层数 n是根据起重机工作环境所决定。因来稿日期：2012-08-17基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(201oZT03)作者简介：高海涛，(1987-)，男，陕西宝鸡人，在读硕士研究生，主要研究方向：起重运输机械研究；许志沛，(1959-)，男，上海人，硕士生导师，副教授，主要研究方向：起重与工程机械研究No.6June.2013 机械设计与制造 17简结构优化数学模型如下： 效的减轻卷筒的质量，又满足工作要求，充分利用了材料的特性。

Min ，h，Do)('n/4)L[Do2-(Do-2) ]( 2 )(w/4)[ D02(n1.5)d]z-D022 (5)利用 ANSYS Workbench中DX拈的 目标驱动优化拈GDO(Goal Drive Optimization)对卷筒进行整体优化。GDO拈由DOE(实验设计 )RS(响应面)Optimization(优化 )三部分构成 ，如图 7所示。

图 6卷筒端侧板应力曲线Fig.6 The Stress Curve of Drum by End Side Plate图7卷椭析及优化流程Fig.7 Th e Process Analysis and Optimization of DrumOptimization部分设有以下三种优化算法：Screening(筛选法)、MOGA(多目标遗传算法优化)NLPQL(非线性序列二次规划)18]。采用MOGA优化方法，先提取优化结果并对优化后的变量值进行圆整，然后对圆整值进行校核，得到最佳优化方案，优化前后结果，如表 2所示。

表 2卷筒优化结果比对表Tab.2 The Optimization Results of the Drum5结论通过对某桥式起重机卷筒进行有限元分析与优化，得到以下几点结论：(1)从表 2中可看出，优化后的卷筒重量减少了 9.98%，既有(2)lJ用直接在 ANSYS Workbench DM拈中建立参数化模型的方法，大大减少设计的时间，提高了设计效率。

(3)在综合考虑卷筒端侧板对卷筒承载能力的影响下，得到卷筒结构的优化尺寸。其结果比传统的设计方法更准确、可靠，同时可以获得解析法难以分析的局部区域应力分布，为卷筒的设计开发提供参考。