基于优化和有限元分析的人字架结构设计

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第 28卷第 4期V01．28 NO．4湖 北 工 业 大 学 学 报Journal of Hubei University of Technology2013年 O4月Aug．2013[文章编号]1003—4684(2013)02—0075—02基于优化和有限元分析的人字架结构设计刘诗文，何毅斌 ，张 雨，杨兵宽(武汉工程大学机电学院，湖北 武汉 430073)[摘 要]应用 Matlab编程对人字架结构进行优化设计 ，根据优化所得数据，应用 Solidworks对人字架进行了三维建模和有限元分析，得到其应力、位移分布图．该设计方法不仅可以得到人字架的最优化结构，满足工程实际需求，还可根据可视化有限元分析结果 ，对设计结构进行相应调整，在强度满足的条件下实现产品轻量化的要求.

[关键词]人字架结构；优化设计；有限元分析；轻量化[中图分类号]THI22 [文献标识码]：A人字架与转 台、转柱构成 了门座起重机臂架 系统和平衡系统的支承结构 ]，在不降低设备零部件强度的前提下，进行结构轻量化研究，对机械设备制造具有非常重要的意义．目前利用 Matlab进行机械优化设计的方法 日趋成熟，但优化结果多用于理论研究，Solidworks中的有限元分析模块不仅能够显示机械设备三维结构，而且能够提供广泛的分析工具去检验和分析复杂零件和装配，可以直观地反映出应力、应变等计算结果 ]．为此，采用 Matlab优化和 Solidworks中的有限元分析对机械构件人字架进行研究.

1 人字架结构分析如图 1所示的人字架 ，由两个壁厚为 T、平均直径为 D的空心管杆件组成，人字架跨距为 B，高度为 H ，两构件间用活动铰链联 接，杆件与机架之间用固定铰链联结.

F A—A图 1 人字架结 构及截面 图不计人字架杆的重量，它是一个二力杆 ，人字架顶端有集中力P作用时，在两个杆件上各 自产生轴线方向上的支座反力Q，构成力矢量三角形，a为 P与 Q的夹角.

由静力平衡条件有户／2 ~／(B／2) +HcOs a 2H ’钢管界面上的压应力Q P~／(B／2) +H丌DT 2丌H TD ‘约束条件： ≤ ．由于人字架杆与杆之间和杆与机架之间采用的是铰链连接，此时 一1；压杆失稳时的临界力 ：7／"2EI 7【2 EI 7c2 EI( L) L ((B／2) + ．H。)‘失稳时的压应力F 7r E(T。+ D。)一 一 8×((B／2) +H )‘压感失稳时的临界约束： ≤ ．结构尺寸f一2丌TD ((B／2) +H。)1／2.

强度约束 ：一口 ≤ 0，—
p~／ (B ／2丽)2 +
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H 2
一 ≤ 。． 2丌H TD ～稳定性约束 ：一 口 ≤ 0，且 ． P~／(B ／2)2 +H z
一 ≤ 。.

边界约束：D i ≤ D ≤ D? ，[收稿 日期]2013—03—30[作者简介]刘诗文(1989一)，女，湖北武汉人，武汉理工大学硕士研究生，研究方向为机械工程
82 湖 北 工 业 大 学 学 报 2013年第4期High Power Gear Box Back to Back M achinery Closed TesterYANG Jin(w “ 鲫 P^ G 口r Transm ssi。72 C。．，Ltd．，Wuhan 430074，c九 n)[责任编校：张 众](上接第 76页)The Herringbone Frame Structure Based on Optimizationand Finite Element AnalysisLIU Shi—wen，HE Yi—bin，ZHANG Yu，YANG Bing—kuan(sc^。。z。，M c ＆ 伽 Et肼 Engi凡．，Wuh口札 g。厂Tec矗·， 矗“”43OO73，c^ “)Abstract：M at1ab pr。gramming was used t。。ptimize the design of the herringb。ne structur e‘Ace ordi ng tothe。ptimized data，the study achieved the stress and displacement distributi。n map
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Kevw0rds：herringbone frame；optimization design；finite element analysis；hghtwe ght des gn[责任编校：张 众]-呈．吾
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