基于Ansys的门式起重机主梁优化设计

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Abstract：Considering the material waste problem during design and manufacture of the metal structure of gantrycranes and other series of problems incurred therefrom，with the 50t-30mrail-mounted container gantry crane as an exam-pie，the parametrical modeling is performed for craneS metal structure based on Ansys parametrical design language APDLplatform ，the finite element numerical simulation is perform ed for the working condition of ful-loaded cart in the most dan·gerous position of span end of the girder，and the CroSS-section parameters of the girder is optimized quantitatively usingAnsys optimization function to complete the weight-reduction design for the girder.Under the premise of meeting the designrequirement，compared to the original design scheme，the optimized msdt shows that the maximum equivalent stress in-creases by 5.52% ，the mimum deformation increases by 25% ，the weight reduces by 12.4% ，presenting signcantweight.reduction effect，which can provide reference for optimal design of craneS metal structure and similar structures。

Keywords：gantry crane；girder；optimal design优化设计是以数学规划为理论基础，以计算机为工具来进行的↑年来，随着有限元法、可靠性设计、CAD理论的发展及其与优化方法的结合使用，起重机金属结构设计逐步向 自动化、集成化、智能化方向发展。轨道式集装箱门式起重机作为在车站及码头进行集装箱装卸作业的专用起重设备，正朝着大型化方向发展。作为起重机主体的金属结构，成本约占总成本的1/3，金属结构是否满足强度、刚度和稳定性的要求，直接影响到整机的技术经济指标，对整机的安全性起着十分重要的作用。因此，对起重机金属结构进行优化设计有重要的经济意义。为此，本文以50 t-30 in轨道式集装箱门式起重机主梁金属结构为研究对象，结合传统设计理论，基于 Ansys的APDL语言，对满载小车位于主梁跨端位置时的起重机箱形梁进行详细结构静力学分析并进行优化设计。

1 主梁金属结构有限元分析1.1 基本参数根据起重机设计规范，起重机门架结构采用偏轨箱形梁，支腿采用-刚-柔的结构形式。该机的额定起重量为 50 t，跨度为 30 m，起升高度为 15 m，小车轨距为 15 m，小车轮距为 3 m，小车总重为 14 t，悬臂长为 12 m，有效悬臂长为7.5m，起升速度为 7.75 m/min，小车运行速度为38.6 m/min，取材料的弹性模量E2.12×10N/m ，泊松比 0.288，密度P7 860 kg/m 。

1.2 主梁参数化建模起重机箱形梁结构 由钢板焊接而成，钢板属国家级基金项 目 基于计算智能的起重机金属结构可靠性稳健优化设计研究”(项 目编号51275329)- 32-， 《起重运输机械》 2013(8)于板壳结构，在建模时对主体结构采用壳单元Shel 63进行模拟2 J。主梁内部或外部有很多为提高局部稳定性而加设的纵向及横向加劲肋，为了缩短计算时间、提高设计效率，在建模时对模型进行了适当的简化，忽略了-些小圆角、凸台以及对主梁强度及 刚度影响不大的主梁 内部加劲肋3]。利用 APDL语言，采用参数化自底向上的方式建立起重机金属结构的有限元模型，模型的所有尺寸在建莫始前都设计为 Ansys参数，在建模中涉及到的模型尺寸必须用参数而不能用数字 J，体现了参数化的概念。对所有板件进行 GLUE布尔运算，使起重机金属结构各板件如同无缝焊接-样，成为-体 ，确保在网格划分过程 中各板件在连接处共用节点，避免发生板壳脱离现象。

1.3 网格划分及边界条件划分网格是有限元计算 中-个非常重要的步骤 ，网格的大孝数量及网格外形的规则程度直接影响到有限元的分析计算结果。本文采用映射网格划分的方式对组成起重机金属结构的各个面单元 (Shel 63单元)进行网格划分，避免产生特别畸形的网格，生成的单元比较规则，计算出来的结果非秤近实际问题，网格划分后的模型如图 1所示。参照起重机设计规范，根据起重机实际运行状况，在大车运行机构支承轮位置施加约束 (模型中表示为支腿最下端的 4个面)如图2。

具体的约束情况如下：1)约束 4个车轮垂直方向z的位移；2)约束大车主动轮沿着其轨道方向 l，的位移；3)约束刚性支腿垂直于轨道方向 的位移。施加载荷及约束具体的载荷值及约束情况如下命令所示：ASEL，S，，，107，110，1 1通过编号选择面DA，AREA，UX !对所选择的面施加 x方向的约束 (AREA代表所选择的面的编号)SFA，AREA，1，PRES，675 1施加的面载荷ALLSEL，ALL !对所有的面重新选择图 1 起重机金属结构网格划分情况图2 大车车轮约束情况1.4 有限元计算结果图3和图4是小车位于有效悬臂端最危险工况下的有限元计算结果。由图3及图4可见，当满载小车位于有效悬臂端时，跨端处最大应力为 86.9MPa≤[ ]235/1.33176.7 MPa，悬臂端最大变形为 0.024 012 m≤[Ls]12/3500.034 3 m。

有限元计算结果满足强度、刚度的要求，且设计余量较大，可进行进-步的优化设计，以此达到节约成本的目的。

及惯性载荷 图3 等效应力云图F，NODE，FZ，178511 1满载小车轮压，NoDE为相应的节点编号 2 主梁金属结构优化设计F，NODE，FY，16220 1满载小车风载荷及大车制动引起的惯性组合载荷 2.1 Ansys结构优化设计F，NODE，FX，10976 1小车制动惯性载荷《起重运输机械》 2013(8)Ansys软件的优化拈集成于 Ansys软件包中，- 33 - 图4 等效变形云图它必须与参数化设计语言APDL完全集合在-起才能发挥 Ansys优化设计的功能。Ansys的优化拈采用了3大优化变量来描述优化过程，分别为：1)设计变量：是自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的；2)状态变量：是因变量，是设计变量的函数；3)目标函数：是要尽量减少的数值。

2.2 问题描述根据起重机的结构形式，选取主梁各板厚以及主梁截面尺寸 (腹板间距、翼缘板间距)作为设计变量，其中1 mm≤板厚≤20 mm，0.5 m≤截面尺寸≤3 In，模型最大节点等效应力及最大等效变形作为状态变量，提取起重机主梁模型的体积作为目标函数。此次优化设计的力学模型表示为Objective function：min 0l∑i1State variables t O" ≤ ]Js ≤[.s]对优化进行控制的相关命令流如下：/0OPVAR，LJCBH，DV，0.001，O.02 1定义设计变量OPVAR，SMAX，SV，，150E6 1定义状态变量OPVAR，U- MAX，SV，，12/350 1定义状态变量OPVAR，VTOT，OBJ，，，1 1定义目标函数OPTYPE，SUBP !设定随机搜索法OPSUBP，1000，1000 1控制循环次数OPEXE !进行优化设计OPHST，ALL，，，1 1提取优化后数据2.3 优化结果 按照如上设置，通过计算结果生成的有限元分析文件，采用 Ansys软件所提供的-阶优化方法，对上述模型进行优化设计，并对优化后的结果进行数据整合，整合后的计算结果见图5、图6，优化前后的变量值见表 1。显然，数据整合后各设计变量的数值均有明显改变，在满足设计要求的前提下，主梁总体积减小了12.4%，减重效果十分明显。

表1 优化结果对比表图5 等效应力云图O图6 等效变形云图目标函 等效应 等效变 上翼缘 下翼缘 主腹板 副腹板 端梁 大隔板 翼缘板 腹板板板厚 板板厚 板厚 板厚 板厚 板厚 间距 间距 数/m 力/MPa 形/in /mm /mm /mm /nan /mm /mm /m /m原设计 37.28 86.9 O.o24 l6 16 10 8 5 10 2 1.25优化设计 32.66 91.7 0.030 4 l8 16 9 4 6 2.3 O.75. - - - - - 34---- 《起重运输机械》 2013(8)基于欧州标准的 50 t手动单轨小车的设计与验证陈树忠 钱阳天 马大勇1浙江手牌起重机械有限公司 嵊州 312400 2 嵊州I市科技创业中心 嵊州 312400摘 要：根据欧盟标准 EN13157：2004A1的要求 ，对产品进行力学分析从而确定相应的结构尺寸。利用Solidworks软件建立力学模型，运用 Ansys软件进行有限元仿真以验证设计的合理性 ，为产品进-步改进提供依据。

关键词：欧盟标准；手动单轨小车；Solidworks；Ansys中图分类号：TH211 .5 文献标识码 ：A 文章编号：1001-0785(2013)08-0035～O3Abstract：According to the EN13157：2004A1， the dynamic analysis is performed for the product to determinecorresponding structural dimension.The mechanics model is built by Solidworks，with the finite element simulation by An-sys software to verify reasonability of the design，providing basis for further improvement of the product。

Keywords：European standard；manual one·track carrier；Solidworks；Ansys手动单轨小车以人力作为驱动力，以工字钢作为行走轨道，操作简单，使用方便，成本低 ，广泛应用于各行各业中，尤其适用于无电源场所。

行业标准JB/T 7332-2007规定的手动单轨小车最大载荷为 400 kN，近年来，随着大型船舶、电站等工程的增加 50 t及以上的大吨位手动单轨小车需求趋旺。

大吨位起重产品的开发往往因缺少相应的大吨位测试设备及昂贵测试成本所局限，因此，产品研发尤其依赖于理论计算，本文以 EN13157：2004A1为执行标准，结合对 50 t手动单轨小车通过 CE认证 的实践，来探讨产品的设计与验证过程。

. 1 小车结构设计与强度分析1.1 小车结构大吨位单轨小车-般采用 由独立小车组合而成的结构以方便制作、减小轨道的接触应力。独立小车分单、双挂梁 2种结构，单挂梁独立小车组合时直接用横梁连接，可以降低轨道建筑高度或加大净起 吊高度，双挂梁独立小车组合时由于有 4个受力点，为预防过定位采用组合式的横梁3 结论基于Ansys平台对门式起重机主梁金属结构进行参数化建模，利用 Ansys的优化拈对主梁截面参数进行优化，完成主梁的减重设计，在满足主梁金属结构设计要求的前提下，优化方案较原设计方案最大等效应力增加 5.52%，最大等效变形增加25%，体积减少 12.4%，减重效果显著♂果证明，基于Ansys的结构优化设计在解决结构优化问题时是有效地、实用的，尤其在大型复杂结构的优化问题上具有其他算法无法替代的优势。