基于ANSYS的堆取料機(jī)尾車鋼結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化分析

1、« 起重運輸機(jī)械2010(3 4Roland Sieg wart,川ah R Nourbakhsh 1 自主移動機(jī)器人 導(dǎo)論M.西安：西安交通大學(xué)出版社，200615方慶瑁1物流系統(tǒng)設(shè)施與設(shè)備M.北京精華大學(xué)出版社，200916肖人彬，曹鵬林，劉勇1工程免疫計算M1北京：科學(xué)出版社，200717Castr o L N, Ti m m is J I 1A rtificial i m mune system s as a no 2vel s oft computing paradig m J .Soft Computing, 2003(7 :526-54418Castr o L N, Z

2、uben F J 1An evoluti onary i m mune net w orkf or data clusteringJ .I EEE S BRN, 2000(11 :84-8919Castr o L N, Zuben F J 1The cl onal selecti on algorith mwith engineering app licati on C /Pr oceeding of genetic and evoluti onary computati on conference . Las Vegas:20001者:黃建中址：安徽馬鞍山市花山區(qū)國際華城 3村17棟603號

3、郵編：243000收稿日期：2009-09-21基于ANS Y S的堆取料機(jī)尾車鋼結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化分析張守云大連重工？起重集團(tuán)設(shè)計研究院大連 116013摘要：基于有限元分析軟件ANSYS,根據(jù)堆取料機(jī)尾車鋼結(jié)構(gòu)承載的形式與特點，對簡化的尾車鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓樸優(yōu)化，得到了尾車鋼結(jié)構(gòu)在主體框架確定情況下輔助斜梁的最佳布置 形式。然后利用梁單元對簡化的 空間尾車鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元靜力和模態(tài)分析 計算，對優(yōu)化前后2種模型的應(yīng)力、位移、重量及基頻進(jìn)行了 比較，從而進(jìn)一步 驗證了對尾車鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓樸優(yōu)化的可行性和優(yōu)化結(jié)果的合理性。關(guān)鍵詞：ANSYS;堆取料機(jī)；尾車鋼結(jié)構(gòu)；拓樸優(yōu)化中圖分類號：TH248文獻(xiàn)標(biāo)識

4、碼:A 文章編號：1001-0785(2010 030045-03Abstract:Based on finite ele ment analysis s oft w are ANSYS, and according t o the for m s and characteristics of l oad on steel structure of tri pper of stacker/reclai m er, t opol ogical op ti m izati on is made t o the si m p lified steel structure of tri pper, a

5、nd op ti m u m layout of auxiliary inclined ar m is obtained, with the main body fra me of steel structure of tri pper deter m ined 1Then it uses bea m unit t o analyze and calculate the si m p lified tri pper steel structure model, compares the p re and post op ti 2m izati on models ' stress, d

6、is p lace ment, weight and funda mental frequency, and further verifies the feasibility of t opol ogical op ti m izati on and rati onality of op ti m izati on results of steel structure of tri pper 1Keywords:ANSYS; stacker/reclai m er; steel structure of tri t ogical ,上,通過 懸臂帶式輸送機(jī)堆料運行，將物料拋向料場實現(xiàn)堆料作業(yè)。

7、因此，尾車作業(yè)過程 中，承受的主要是其上部輸送帶上的物料載荷，輸送帶由托輾支承并由改向滾筒改 向，所以，在物料輸 送過程中，由于物料分布不均以及托輾和滾筒偏心等影響，尾車會受到一定的動載沖擊。因此，在設(shè)計尾車鋼結(jié)構(gòu)時，不僅要保證其強度要求， 同時也應(yīng)盡可能提高其剛度。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓樸優(yōu)化。相對于前2種優(yōu)化，拓 樸優(yōu)化屬于更高層次的非線性優(yōu)化問題，可以從根本上改變結(jié)構(gòu)的形狀布局,實現(xiàn) 真正意義上的最優(yōu)設(shè)計。拓樸 優(yōu)化的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓樸問題轉(zhuǎn) 化 為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)的材料分布問 題，最終得到最佳的材料分配方案， 這種方案在拓樸優(yōu)化中表現(xiàn)為最大剛度”設(shè)

8、計，即在滿足結(jié)構(gòu)邊界條件（載荷和 約束的情況下減小結(jié)構(gòu) 的變形能，也就相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。54起重運輸機(jī)械2010（3雖然拓樸優(yōu)化理論的分析研究需要較深的專 業(yè)知識，但當(dāng)這種理論日趨成熟并 被移植到應(yīng)用軟件中，用其指導(dǎo)工程實踐變得切實可行且簡單有效。利用 ANSYS進(jìn)行拓樸優(yōu)化的過程，不需要定義參數(shù)和優(yōu)化變量，拓樸優(yōu)化所需的設(shè)計 變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)都由軟件自行定義，用戶只需給出結(jié)構(gòu)的材料特性、 有限元模型（含優(yōu)化與 非優(yōu)化區(qū)域、載荷與約束條件以及要去除的材料 百分比， 然后交由軟件自動求解計算即可實現(xiàn)對 結(jié)構(gòu)的拓樸優(yōu)化分析。正是由于拓樸優(yōu)化 的優(yōu)越性以及操作的可行性，越來越多的工程設(shè)計

9、人員開始在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng) 用拓樸優(yōu)化分析來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。2尾車鋼結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化分析211 有限元模型的簡化一般來說，尾車鋼結(jié)構(gòu)屬于對稱的結(jié)構(gòu)形式，其上部主要承受均布的物料載荷，而底部平臺一般安放電器室、電纜卷筒等 附屬設(shè)備。在整個豎 直方向上，除了橫向連接梁以外，其他結(jié)構(gòu)基本 呈對稱的2 排布置，而且，此2,其他輔助斜梁的最佳布置形式。因此，可將尾車 鋼結(jié)構(gòu)簡化為 如圖1所示的平面結(jié)構(gòu)。其中，中間分割出來的細(xì)長面的網(wǎng)格部分為設(shè)計主框架，因為其在整個尾車布局中起主要的支撐作用，故拓樸優(yōu)化過程中，其為非優(yōu)化區(qū)域。而其他網(wǎng)格 部分則為優(yōu)化區(qū)域，隨著去除體積百分比的變化，拓樸優(yōu)化過程 中，其結(jié)構(gòu)形式將

10、會相應(yīng)地發(fā)生變 化。為了簡便起見，底部平臺處施加成均布載 荷，由于拓樸優(yōu)化的結(jié)果只與力作用的位置有關(guān)，而與力的大小無關(guān)，所以施加的載荷一般全為單位力。底部支承車輪處約束2個方向位移o圖1 尾車鋼結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化有限元模型212 尾車鋼結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化結(jié)果圖2為尾車鋼結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化結(jié)果，由圖中可以看出體積去除百分比為95%時 的優(yōu)化結(jié)果已經(jīng)接近于鋼架梁的布置形式，這和傳統(tǒng)的尾車鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計形式有比 較大的出入 iLrilvn3即提舊皿的 】aa中一$。10co圖2 尾車鋼結(jié)構(gòu)拓樸優(yōu)化結(jié)果(a體積去除80% (b體積去除85%(c體積去除90% (d體積去除95%根據(jù)優(yōu)化過程中材料分布的趨勢，可以得出:(1由

11、于尾車鋼結(jié)構(gòu)的承載形式類 似于橋梁 結(jié)構(gòu)，所以,如圖中體積去除腿，隨著體積去除百分比的增加逐漸消 去，說明其對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)相對來說要低于其他保留的斜梁。(3前部立腿的上端部分，在優(yōu)化過程中并 未出現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計時其兩側(cè)斜拉梁式 的材料分布趨 勢，說明這部分對增加結(jié)構(gòu)的整體剛度基本不起作用，具存在只是影響結(jié)構(gòu)局部強度和剛度。(4前部懸臂梁處由于懸臂梁伸長較長，故在優(yōu)化過程中，始終有支撐與懸臂梁 端部相連，這樣才能保證懸臂梁的剛度。如果按圖示體積去 除90%的優(yōu)化結(jié)果增 加斜向支撐，由于其在承載 情況下支撐整體受壓，且支撐相對較長，故為了保證受 壓桿件的穩(wěn)定性要求，勢必會要求增加支 撐梁的截面尺

12、寸，這樣有些得不償失，同 時由于懸臂梁下部空間需要留給設(shè)備其他部件，所以實際設(shè)計時(包括后續(xù)優(yōu)化前 后比較分析時，并不按優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行。(5所有保留材料基本上都與底部約束區(qū)域發(fā)生聯(lián)系，這說明滿足結(jié)構(gòu)變形最 小的材料分布趨勢是，使材料在滿足承載要求的情況下盡可能地和約束區(qū)域(剛度 相對較大的區(qū)域 發(fā)生聯(lián)系。64起重運輸機(jī)械2010(33 尾車鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后分析比較311優(yōu)化前后尾車鋼結(jié)構(gòu)空間模型為了便于比較分析，建模時只考慮了優(yōu)化前 后鋼結(jié)構(gòu)中的主要承載梁，而用于 增加穩(wěn)定性的橫向加強梁則忽略不計，而且，優(yōu)化前后都考慮了預(yù)留電器房存放空 間(優(yōu)化前位于底部平臺前 端，而優(yōu)化后位于底部平臺中部。優(yōu)化

13、前中間主 要承 載梁的設(shè)計形式為立腿形式，而為了減小膠 帶梁的中間撓度，主要在立腿的上部兩 側(cè)增加了斜拉桿。而優(yōu)化后的模型主要按上面分析的體積去除95%時結(jié)構(gòu)形式與鋼架梁相近的優(yōu)化結(jié)果。前段懸臂梁處根據(jù)實際情況的需要，并未按優(yōu)化結(jié)果 進(jìn)行建模，而是保留了部分原設(shè)計模型。優(yōu)化前后的計算分析模型，其主要承載梁 的截面尺寸、結(jié)構(gòu)施加載荷以及約束等完全一樣 。312 優(yōu)化前后尾車鋼結(jié)構(gòu)剛 度比較由圖3和圖4可以看出：（1尾部懸臂梁部分（點1、2、3的位移在優(yōu)化前后基本不變，位移變化明顯 的是尾車2立腿中間及前部懸臂梁部分。（2 58優(yōu)化前最大位移位（,數(shù)值為-611408mm，而優(yōu)化后由于中部斜梁的

14、支撐作用，中間部分剛度相對變大，最大位移位置稍向后移（點5，數(shù)值為- 311788mm。（3前部懸臂梁部分（點10和11位移變化最大，優(yōu)化前后雖然數(shù)值大小相當(dāng)， 但位移方向卻截然相反。主要原因是優(yōu)化后的模型考慮到空間預(yù)留的需要并未完 全按照拓樸優(yōu)化的結(jié)果進(jìn) 行建模。而實際上，優(yōu)化前后計算分析時并未考 慮膠帶 張力，實際結(jié)構(gòu)承載時，對于優(yōu)化前的結(jié) 構(gòu)來說，膠帶張力的影響會使承載梁的不 平度進(jìn)一步加劇，也就是說其影響會使前部懸臂梁的末端進(jìn)一步上翹；而對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)來說，其對承載梁的不平度相對削弱，膠帶張力加載所引起的前部懸臂梁 的末端上翹會與由重力和物料載荷作用產(chǎn)生的下?lián)隙炔糠值窒?。?優(yōu)化后尾車

15、鋼結(jié)構(gòu) 的剛度明顯優(yōu)于優(yōu)化前。313 優(yōu)化前后尾車鋼結(jié)構(gòu) 強度比較由優(yōu)化前后尾車鋼結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力云圖（圖略圖3尾車上部承載梁各點編號圖4優(yōu)化前后各點豎直方向位移曲線11優(yōu)化前 21優(yōu)化后可以看出(1優(yōu)化前尾車鋼結(jié)構(gòu)最大綜合應(yīng)力為2021161MPa,位于前部立腿兩端 受力形式為壓彎；(2優(yōu)化后尾車鋼結(jié)構(gòu)最大綜合應(yīng)力為1681755MPa,位于中部斜梁處, 受力形式為壓彎；(3 ,。量為36398kg,優(yōu)化后為34269kg,減重約6%;(2優(yōu)化前基頻為01564Hz,優(yōu)化后為01702Hz,提高約2415%。4 結(jié)論利用ANSYS有限元分析軟件，通過簡化模型，對尾車鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓樸優(yōu)化分 析是切實可行的。通過拓樸優(yōu)化分析，可以有效地尋找到結(jié)構(gòu)材料的最佳分布形 式，從而在減少結(jié)構(gòu)重量的基礎(chǔ)上，