基于APDL语言的桥式起重机主梁的优化设计

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Optimized design of bridge crane main girder based on APDLSONG Shi-jHa，LI Lei，ZENG Qing-gui，ZHANG Tong-you桥式起重机大部分采用板材结构 ，而采用传统计算手段很难精确计算每块板材的受力状态，尤其是对于轨道不在中间的桥机主梁，优化结果更不精确，因此有必要采用有限元方法进行优化，在保证结构中每个单元强度足够的情况下，使得结构用材最剩利用ANSYS软件 的优化拈 (OPT)和ANSYS自带的参数化设计语言 (APDL)可以开发出专用的钢结构优化程序；建立在参数化建模的基础上的OPT拈，对-台桥机大型钢结构的参数化建模过程需要至少2、3天。另外，对于以板壳单元为主的箱型桥机，优化后的板材厚度都不是整数，需要圆整，而圆整后的模型，又不-定在原优化设计的可行域内。

针对以上不足，在传统优化方法的基础上做了-些改进，将-种新的优化设计手段融入优化程序中，使得桥机的优化更加快捷，优化结果更符合设计要求。

本文以桥机的-种板式主梁为例，论述了桥机钢结构的新优化模型和对应的优化程序流程，重点阐述其中的关键技术，并且开发了该类结构型式主梁的通用优化程序，应用该优化程序做了-个优化实例，验证该优化方法的有效性。

82 建筑 材1 2013.3(半月 lj1 桥式起重机主梁的新优化模型和优化程序结构1.1 主梁的新优化模型1.1.1 新模型概述OPT拈的优化中，其约束条件-般只是强度约束和挠度约束。本文提出的新优化模型增加了板壳稳定性的约束，因此新优化模型可以描述为：在满足结构强度、刚度、稳定性的条件下使结构自重达到最轻。即Gmin-"g ， 1～，s.t.tim。 ≤ ≤ tim≤ l J≤ [d]遁 [丁]其中 g厂-桥机各部分的重量；f厂-桥机各部分板材的厚度；- - 桥机主梁的最大挠度； 桥机的屈曲特征值，如果大于1，表示没有屈曲失稳，反之表示屈曲失稳。

[收稿 日期 ]2012-10-25[通讯地址 ]李蕾，山东淄博桓 台县唐山镇1701-，山东国弘重工机械有限公司1.1.2 设计变量如图1所示 ，某桥式起重机的设计变量为fl-f8。在ANSYS的OPT优化中，默认的设计变量按照连续值变化。但如果最后优化的板材厚度是连续值，往往不符合钢材相关标准，需要修正，然而修正后的结果很有可能不在可行域内，或者不是最优结果。

图1 桥式起重机主梁的参数化结构为解决以上不足 ，本文提出的新优化模型的设计变量中板材厚度参数在优化过程中按-些离散点变化，这些离散点均对应于标准型材库里的某-个型材型号。

其约束条件为 ≤ [r，]，这是强度约束，指每-类板材单元的最大应力。

(2)屈曲稳定性特征值其 约束条件 为 ≥ [ ]这是局 部稳定性约束。

1.2 优化程序结构优化程序结构如图2所示，共包括基础数据库、中间数据库、优化拈、输入和结果数据库(输出)等部分。

输入包括结构形式 、起重性能 (最大起重量、最大起重力矩等 )、材质、状态变量上下限和结构参数等；输出包括优化后的板材规格、等效应力、最大挠度和屈曲特征值。

输八输出图2 优化程序结构1.3 优化程序流程(1)流程图。

本文提出的的优化程序流程利用OPT拈 ，增加了数据库的定义，程序中部分计算的过程需要查询数据库；同时设计变量 (板厚)的离散化，使得板厚符合标准系列。

CONSTRUCTION MACHINERY 201 3 3 83---- -. -. -.L醒 设计计算l吣.GN＆c眦u 。N 分析文件的生成 .，XOPT，指定分析文件 声明设计变量、状态变量和目标函数J选择优化算法为零阶法 指定优化的最大循环次数 f进行优化分析l L J( 查看优化结果J图3 优化程序流程给设计变量(板厚)赋初始值l非设计变量(几何参数等)赋值l数据库的定义ll设计变量(板厚)的离散化I有限元参数化建模I厂 、进行两个工况的FEA计算，得到最大应力、挠度和屈曲特征值/I. 写出分析文件图4 分析文件的生成过程如图5所示，优化变量离散化指的是板材的板板厚当前值l查型材截面参数l查得厚度最接近的型材型号，其库中序号为j图5 设计变量离散化84 建筑机械 2018.3(上半月 f厚按-些离散点变化，这些离散点都是标准板材厚度系列里实际存在的厚度值。其具体实现方法是根据当前板厚在标准板厚系列里找到最接近的厚度值，然后将该值重新赋予原厚度参数，可实现设计变量的离散化。

非设计变量对-个特定的优化设计实例来说是定值，优化过程中不参与数值的改变，但对于不同的优化设计实例来说 ，其值-般是不同的。为此，程序通过用户界面读取非设计变量，作为参数进行有限元建模分析计算的依据。这样，对特定的优化设计，用户只需要通过界面输入这些非设计变量，就可以使程序自动按照用户的要求进行优化分析，提高了T作效率。

对于桥机的优化，其非设计变量包括尺寸参数 (如图1中的a、b、c、d、 、f、g、h、，、k、m、P、q、S、t、 、v、W、 、Y、z、 、zz)、起重性能参数 (例如最大起重量等 )、标志性参数(如标志性参数值为1，表示几何参数作为设计变量，反之表示几何参数不作为设计变量)、设计变量的上下限、状态变量的上下限和材质参数。

3 优化实例以某厂的QD40/5电动双梁桥式起重机为例，用本文开发的桥机优化程序进行优化，通过界面将相关参数输入，如图6所示。

将参数输入后开始优化 ，用时5min。其应力、挠度和重量的优化历程分别如图7和图8所示，横坐标均代表优化历程，图7纵坐标分别代表等效应力和最大挠度值，图8纵坐标代表重量值。

其优化结果如表1所示。由表1可知，通过优化，最大应力由219MPa减少到107MPa，主梁自身重量减少了4.95%，大大改善了主梁结构的受力，并节省了钢材用量。

4 结论通过同时控制最大应力 、挠度和屈 曲特征值，使得优化的约束条件更加全面合理；通过优化变量的离散化，离散成符合国家标准的标准板厚，使得优化结果的读取更加直接；通过非设计变量的参数化，开发了桥机通用优化软件，使得桥机的优化设计实现拈化。

：四厂 / - 、/ ， l手 效应 力-t /，- x/ V f 、/ l1。

最大挠度、 - 、- - 、L～ -图6 参数化的优化界面1 4.2 7.4 10.6 1 3.8 1 72.6 5-8 9 12.2 1 5.4优化历程图7 应力和挠度的优化历程表1 优化结果Ⅲ删八 - r f 、 、l / / 。 1 / i ./I，1 4.2 7.4 10.6 13.8 1 72.6 5.8 9 1 2.2 l5.4优化历程图8 重量的优化历程设计变量 (厚度 )/mmtl t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8优化前 16 16 24 16 8 10 10 30优化后 36 12 22 6 18 20 20 20状态变量和 目标最大应力/MPa 最大挠度/ram 屈曲特征值 总重量/kg 重量减轻百分比/%优化前 2l9-3 37.04 18.O 25695.74.95优化后 107.1 41.33 15.4 24422.7[