基于Ansys的汽车起重机伸缩臂参数优化设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

汽车起重机应用于运输、装卸和筑路等场地以及临时吊装作业 ，伸缩臂架的设计及结构决定了其工作性能 .2j。然而，由于伸缩臂截面类型及各截面尺寸参数较 多，使得在设计臂架时往往不能在满足吊载工况 的情况下使臂架 自重最轻 ，而臂架的自重对 吊载有重大影响。因此 ，采用 Ansys软件的APDL语言对伸缩臂架进行参数优化设计 ，使臂架在满足 吊载的情况下达到最轻 ，从而实现轻量化设计 ，具有十分重要的意 义。

1 伸缩臂架的建模汽车起重机的伸缩臂架由基本臂、伸缩臂及附加臂组成，同时在臂架里安装有伸缩液压缸以及导向元件，使臂架实现伸缩。如图 1所示，伸缩臂典型的截面有四边形、五边形、六边形、八边形以及 u形-1 等类型。

以大吨位汽车起重机常用的 U形臂架为例，对伸缩臂架进行参数化建模及优化设计。u形臂架第-节臂的截面参数如图 2所示，其余臂架截面参数类似。

《起重运输机械》 2013(1)口凸[]口口[]图2 U形臂架截面参数在确定了伸缩臂架的截面类型和参数后，即- 21- 可建立臂架的有限元模型，采用 APDL语言建立的参数化有限元模型如图3所示 。图4为 2节伸缩臂架之间滑块耦合的局部放大图。由于汽车起重机伸缩臂在吊载工作时伸缩臂架之间由滑块接触来传递各种载荷 ，故在建立伸缩臂模型时需解决滑块与臂架之间的接触问题。采用 Ansys的接触单元可以很好的实现，但因模型规模大，且接触问题属于非线性问题 ，求解时的反复迭代计算会消耗大量的计算机资源。因此，本论文综合考虑各种因素后采用节点耦合 自由度来处理滑块与各伸缩臂架之问的接触 〃立 了伸缩臂臂架的模 型 以及划分 网格 以后 ，即可进行 加载分析图 3 伸缩臂建模及网格划分图4 伸缩臂滑块耦合局部放大图2 伸缩臂架的加载分析2.1 载荷施加及约束处理伸缩臂架所受载荷有臂架 自重、吊重、风载荷、惯性载荷、偏摆载荷以及起升钢丝绳拉力等。

按受力分析将伸缩臂架的载荷分为臂架变幅平面内和旋转平面内载荷。

1)臂架变幅平面内载荷的计算垂直载荷 Q：- 2， - Q ：PQ G起升工况钢丝绳拉力为 ：F ：m叼由Q、F 引起的轴向力 F：FQcosaFscos/3由Q、F 引起的轴向力 F ：F QsintFssint2)回转平面内载荷的计算吊重偏摆侧向力 ：FhP0·tan0式中：0为吊重的偏摆角度 03。～6。。

转化到伸缩臂端的风载荷和惯性载荷：Fb0.4(PwPH)式中：Pw为吊臂侧面迎风面上的风载荷，P为伸缩臂的惯性载荷。

PwCPA式中：C为风力系数，P工作状态风压， 为臂架迎风面积 。

侧向力：F FHFb将上面计算过程采用 APDL语言使其参数化，其部分实现程序代码如下：/SOLUACEL，gx，gY !重力KSEL，S，，，199，205 1垂直内力施加FK，ALL，FX， -SWLx/7FK，ALL，FY， -SWLy/7FK，ALL，FZ，Th/7KSEL，S，，，199，205 1绳拉力施加FK，ALL，FX， -Fx/7FK，ALL，FY，Fy/7伸缩臂架的约束主要在基本臂的尾部与转台铰接处和铰接液压缸处 2个位置。在基本臂尾部《起重运输机械》 2013 (1)与转 台铰 接处，约束 2个 方 向的转 动 自由度(RX，RY)和 3个方向的平移 自由度 (UX，UY，UZ)，释放绕销轴中心旋转的转动自由度 (RZ)，而伸缩臂与变幅液压缸铰接处的约束为所有 自由度约束。

2.2 求解分析以汽车起重机 QZJ20工作时臂架处于最大幅度为24 m，且臂架全伸长为 30 nl，变幅液压缸支撑处至伸缩臂根部垂直距离为 5.2 m作为计算工况，分析臂架的受力。图 5为起重机伸缩臂在该工况下的等效应力图。

Y图5 伸缩臂架等效应力图3 伸缩臂架的优化3.1 伸缩臂架的优化要素确定Ansys基于有限元分析的优化设计技术就是在满足设计要求的前提下搜索最优设计方案。基于参数化有限元分析过程的设计优化包括设计变量、约束条件、目标函数以及所采用的优化方法等基本要素 。

1)设计变量 (DVs) 设计过程中需要不断修改赋值 的设计参数。对于伸缩臂而言，伸缩臂的长度 由工作要求决定不可改变，能够作为设计变量的就是伸缩臂截面参数 ，对于 U形臂架，截面的宽 B 和高 日 起决定作用，故这里将各节臂架截面的宽和高作为优化设计 的设计变量 ：!声明优化变量OPVAR，B11，DV，570，620 1臂架截面宽B11，B21，B31，B41为设计变量OPVAR， B21，DV，520，569OPVAR， B31，DV，470，519OPVAR，B41，DV，420，470OPVAR，H11，DV，770，820 1臂架截面高肌 1，/421，//31，//41为设计变量《起重运输机械》 2013(1)OPVAR，H21，DV，720，769OPVAR，H31， DV，650，719OPVAR， H41，DV，600，6492)状态变量 (SVs) 设计要求满足的约束条件变量参数是设计的因变量，是设计变量的函数。

汽车起重机伸缩臂的工作条件为在满足应力和变形的前提下工作，故将臂架的应力和变形作为状态变量 ：OPVAR，DMAX，SV， -70，70； !臂架应力和变形 ：DMAX和SMAX为状态变量OPVAR，SMAX，SV，0，20003)目标 函数 (Objective Function) 设计中极携的变量参数必须是设计变量的函数，即改变设计变量的数值将改变 目标 函数的数值。在Ansys优化设计工程 中，只能设定-个 目标 函数。由于伸缩 臂架 的优化 是在 满足工 作要求(应力和变形不超标)的情况下使质量最轻 ，而密度-定 ，故臂架的体积就可作为优化 的 目标函数：OPVAR，VOLUME，OBJ !臂架体积：VOL-UME为目标函数4)优化计算方法 (优化设计工具) Ansys中提供了2种优化方法：零阶方法 (直接法)和-阶方法 (间接方法)。零阶方法是最常用的方法 ，使用所有因变量 (状态变量和目标函数)的逼近可以处理绝大多数工程问题。-阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，故更加适合于精确的优化分析，但是 占用计算机资源多，计算量大。对于臂架的优化而言，采用零阶方法 已经足够。

3.2 伸缩臂架优化在设置好优化参数后，即可对伸缩臂架执行优化设计。图6为伸缩臂架体积与优化序列号之间的关系曲线图，从 中可以看到，在满足应力和变形的约束条件下，第 12次优化序列为伸缩臂体积最小的序列，故为最优序列。图7和图8分别为伸缩臂截面高度、宽度与优化序列号之间的关系曲线图。

为了方便对伸缩臂架优化设计前后进行比较分析，列出了优化前后臂架截面的相关参数如表 l所示。

- 23 - (g10 )、 ～ 八- l f ～ ， V 、Wz1 3 2 5.4 7 6 9 8 122 1 4 3 6 5 8 7 10 9序弓 号图6 伸缩臂体积与优化序列号之间的关系曲线蝗 ，-- 、 ， 、、 厂 . . 厂 / / / 、、～ √ 。 ～ / We. / / 、/，2序列号图7 臂截面高度与优化序列号之间的关系曲线/ 、 、、 ， t / / 、V / 、。

/ / / v/ 、、、，- /- 、、 √ Wz 1 2 3.2 4.3 5.46，5 7.6 8 7 1o 3序列号图8 臂截面宽度与优化序列号之间的关系曲线4 总结通过表 1对比分析可知，优化后的伸缩臂截面宽度和高度尺寸都比优化前的熊多，而最大应力有所增大，为 374.13 MPa，但汽车起重机伸缩臂都采用高强钢，强度可达 600-800 MPa，故最大应力在许用范围内。由于伸缩臂截面尺寸的减小，从而大幅减小了伸缩臂的体积，进而减小了伸缩臂架的质量，达到了臂架优化设计的目的，- 24 - 表 1 伸缩臂架优化前后相关参数值优化前 优化后B11 600 571.341 550 520.25∞ 1 50o 470.181 450 421.71l1 81O 772.121 761 720.22月31 710 650.34矾 1 645 601.81D ax 50.979 0.9787E-03S 271.095 374.13实现了轻量化设计。

因此，采用基于 APDL语言的 Ansys优化设计方法，对汽车起重机伸缩臂架的参数化设计是-种有效实用的优化设计方法。