基于ANSYS的桥式起重机主梁优化设计.doc

基于ANSYS的桥式起重机主梁优化设计本文以16t双梁桥式起重机为例，通过有限元软件ANSYS 对其主梁进行目标驱动优化（Goal Driven Optimization），结果相较于优化前质量减轻了24.9%，效果非常显著，并且针对优化前后进行了静力分析，优化结果可靠可行。

本文通过主梁的参数化设计和优化设计，实现了质量减轻的目的，对桥式起重机的设计具有重大意义。

桥式起重机已经成为了现代化生产中必不可少的一种机械设备，除了运用方便、效果显著等原因外，桥式起重机在安全方面相较于其他设备同样有着明显的优势，例如，在实际生产中，桥式起重机能显著提高生产安全，减小事故发生率。

长久以来，我国对于重型机械的要求是够大够结实，因此，在传统的设计方法和加工工艺的限制下，我们设计出来的桥式起重机往往都具有过高的安全系数，这样设计虽然安全，但是，正因为过于安全了，我们的设计造成许多材料的浪费和废弃。

通过大量设计和实例表明，桥式起重机60%以上的重量是和主梁结构相关的，因此，主梁的结构设计是否合理，直接关系到钢材耗费量的多少。

采用ANSYS对起重机主梁进行结构的优化设计，不仅能实现主梁的形状优化，从而改进产品外形，同时能提高整机性能，减少制造成本和材料消耗。

主梁结构分析本文在进行优化设计前，先对桥式起重机主梁进行静力分析，分析的目的是求出主梁的最大应力和最大位移，方便后续的优化以及对比。

本文的研究对象是16t双梁桥式起重机，主梁由上、下盖板、两块腹板以
及隔板组成，同时，为了分析更为准确，本文对端梁也进行了建模。

1.1 参数化建模优化设计就是讲设定的参数不断优化，最终在众多方案中寻找最佳方案的过程，因此，在建模时，需要实施参数化建模。

本文采取PROE建模，并且设定了8个优化参数。

1.2 有限元的前处理本文选取solid45单元，材料全部采用Q235，材料密度，弹性模量，泊松比。

网格划分以四边形单元为主，同时在个别部位采用三角形单元。

在有限元中，为了确保结果的正确性，需要依据实际情况对模型施加约束。

对于本文来说，分析的是桥式起重机主梁，约束的对象就在端梁的支撑面，即端梁大车轮处。

需要约束的四个支撑面，均拥有6个自由度，即X、Y、Z方向的平移自由度和X、Y、Z方向的旋转自由度，依据实际情况，采取全约束。

当起重机小车满载处于主梁跨中位置时，主梁的应力和变形是最大的，因此，本文的研究工况为小车满载处于主梁跨中处。

1.3 求解当完成主梁的建模以及选取单元、定义材料属性、网格划分、施加约束和施加载荷以后，即可对主梁进行求解，得出主梁的应力云图和位移云图，如下图所示：优化设计优化设计的过程就是分析、评估、修整的循环过程，当用户输入设计参数，ANSYS会对参数进行分析，然后按照用户要求对分析结果进行评估，最后按照算法进行修整。

循环过程会不断重复，一直到满足用户要求打止。

2.1 设计变量优化设计中，对于变量的数目需要严格控制，变量过多，所求问题就会过于复杂，虽然会得到很好的优化结果，但是无形中增大了计算量
和计算难度，以至于得不偿失。

因此，在确定变量数目前，需要对研究的结构进行仔细分析，对于设计中几乎没有影响甚至是完全没有影响的参数可以进行忽略，或者以作为给定条件或转化成约束条件的方式来进行处理，尽量减少设计变量的个数，以达到控制变量个数的目的。

本文设计了8个变量，如表2.1所示：表2.1 设计变量表Table2.1 Design variables table
优化变量的名称
对应Workbench的名称
主梁上盖板宽度
主梁上盖板厚度
端梁高度
主梁腹板高度主梁下盖板厚度主梁腹板厚度端梁内壁间距端梁盖板长度
本文对16t双梁桥式起重机的主梁进行了参数化建模，然后通过无缝连接导入ANSYS Workbench进行了静力分析，得出结构符合要求的结论。

在此基础上，对主梁进行了优化，优化得出81组优化数据，经过筛选得出最优解，相比优化前减轻了24.9%，并且进行了优化后的应力、位移的云图对比，得出优化满足要求的结果。

本文结论为桥式起重机主梁的设计和改善提供了有益的指导，具有一定的参考价值。