基于Workbench的正面吊臂架多目标优化设计

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正面吊是-种港口集装箱装卸、堆码和水平作业的特种工程设备，也用于铁路中转站和工作中转站的货物搬运，具有机动灵活、操作方便、稳定性好、堆场利用率高等优点口].正面吊主要由车架体及底盘系统，臂架，吊具系统 ，驾驶室 、变幅油缸 、伸缩油缸等组成l2]，如图 1所示。

正面吊臂架由基本臂和伸缩臂组成，臂架总质量约占整机的 15 ，是正面吊工作装置的主要结构部件，通过臂架俯仰与伸缩运动实现吊箱功能Ⅲ3].臂架采用矩形截面形式，制造工艺简单，只需由翼缘板和腹板焊接即可4].为了保证臂架强度、刚度和局部稳定性，往往根据经验选认大安全系数，造成臂架结构庞大，增加了制造成本及设备使用能耗.采用现代优化设计平台5]，对臂架进行多目标优化，减轻臂架质量、提高机动性和工作效率具有十分重要的意义。

1-基本臂；2-车架体及底盘系统；3-驾驶室；4-变幅油缸；5- 伸缩油缸 ；6-伸缩臂 ；7- 吊具系统图 1 正面吊结构简图以湖南中铁五新重工有限公司自主研发的 ZMD45型集装箱正面吊臂架为研究对象，利用 Workbench软件的优化拈对臂架截面参数进行优化，探讨截面参数与最大应力、变形及质量之间的关系，求出臂架轻量化最优解。

收稿 日期 ：2013-04-01作者简介：胡仕成(1968-)，男，湖南益阳人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事工程机械设计与研究· 57 ·胡仕 成 ，等 ：基于 Workbench的正 面吊臂架 多 目标 优化设计空间。

2 参数建模利用 Workbench进行优化设计 ，必须对臂架进行参数建模l7]。

正面吊臂架为矩形截面，此处不考虑滑块厚度对臂架应力影响，伸缩臂截面尺寸由基本臂截面尺寸控制 ，以基本臂截面尺寸建立参数化模型 ，进行优化分析。

2.1 设计变量图 5为矩形臂架截面参数 ，截面内部高度为 H，内宽为 L，侧面板厚为 t，上面板厚度为 m，下底板为 ，则优化设计变量如下 ：X - -厂(H，L，t， ，n)在 Workbench中，将设计变量作为输入参数 ，设计变量值域见表 1。

表 1 设计变量值域图 5 臂架截 面参数初始值上限值下限值2.2 状态变量在 Workbench中，将状态变量作为输参变量.在臂架结构没有压力集 中的状态下 ，其最大应力对优化设计具有重要参考意义[8].选取臂架最大应力 、变形量 、质量等作为优化输出变量。

3 优化设计设置模型材料属性，弹性模量 E-210 GPa，泊松比为 0.3，密度为 7 800 kg/m。，材料等效应力为大于617 MPa，安全系数取 1.33 L9]，则材料许用应力[ ]-617/1.33-464 MPa.Workbench默认 自动生成 27个设计点，进行优化计算，得出各输人参数与臂架最大应力关系见图 6～图 10。

Response(artfor P9-Equivalent StressMaximum 册 Response ChartforJ-Equivalent StressMaximum 舳 吩-but性knt mhxI扣um叫-崎 - 、 。

、、、 。 、720 730 740 750 760 770 780 790 800 810 820臂架截面高度 /mm图6 参数 H 与最大应力的关系、 、 、 。

、 、- - -620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720臂架截面宽度 /mm图7 参数 L与最大应力的关系· 59 ·3 3 3 3 3 2 2 2 日皇 通K噼胡仕成，等：基于 Workbench的正面吊臂架多目标优化设计校核结果显示：第 1组质量最轻，但变形量最大，与许用变形量很接近，考虑刚度可靠性，不选取该组解；对比第 2组和第 3组，最大变形量相当，最大应力第 2组较大，材料性能利用率比要高，且第 2组比第 3组质量轻 98 kg；因此，选择第 2组优化结果，与优化前相比，臂架的质量了减轻 1 122 kg，占优化前臂架质量的10.6 ，最大变形量和最大应力都有所增加，但均符合臂架强度、刚度要求，提高了材料性能利用率。

4 结语采用 Workbench有限元计算及目标优化拈功能，对影响臂架最大应力的因素进行了比较分析.以正面吊臂架截面参数为 Workbench输入参数，以臂架最大应力、质量、最大变形量为输出参数，进行优化仿真，优化结果使臂架的质量减轻了1 122 kg.与优化前相比，该优化方法提高了材料性能利用率，降低了正面吊的制造成本，提高了整机市澈争力，为臂架轻量化研究提供参考依据。