基于ANSYS的堆取料机尾车钢结构拓朴优化分析_图文

1、 起重运输机械 2010(3 4Roland Sieg wart, Illah R Nourbakhsh 1自主移动机器人 导论 M.西安 :西安交通大学出版社 , 200615方庆琯 1物流系统设施与设备 M.北京 :清华大学出版社 , 200916肖人彬 , 曹鹏林 , 刘勇 1工程免疫计算 M1北京 :科学出版社 , 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 :526-544

2、18Castr o L N, Zuben 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作 者 :黄建中地 址 :安

3、徽马鞍山市花山区国际华城 3村 17栋 603号 邮 编 :243000收稿日期 :2009-09-21基于 ANS Y S 的堆取料机尾车钢结构拓朴优化分析张守云大连重工 起重集团设计研究院 大连 116013 摘 要 :基于有限元分析软件 ANSYS, 根据堆取料机尾车钢结构承载的形式与特点 , 对简化的尾车钢结构进行拓朴优化 , 得到了尾车钢结构在主体框架确定情况下辅助斜梁的最佳布置形式 。然后利用梁单元对简化的 空间尾车钢结构模型进行有限元静力和模态分析计算 , 对优化前后 2种模型的应力 、位移 、 重量及基频进行了 比较 , 从而进一步验证了对尾车钢结构进行拓朴优化的可行性和优化结

4、果的合理性 。关键词 :ANSYS; 堆取料机 ; 尾车钢结构 ; 拓朴优化中图分类号 :TH248 文献标识码 :A 文章编号 :1001-0785(2010 03-0045-03Abstract: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

5、 made t o the si m p lified steel structure of tri pper, and 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

6、the p re and post op ti 2m izati on models stress, dis 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 struct

7、ure of tri t ogical , 上 , 通过悬臂带式输送机堆料运行 , 将物料抛向 料场实现堆料作业 。因此 , 尾车作业过程中 , 承 受的主要是其上部输送带上的物料载荷 , 输送带 由托辊支承并由改向滚筒改向 , 所以 , 在物料输 送过程中 , 由于物料分布不均以及托辊和滚筒偏 心等影响 , 尾车会受到一定的动载冲击 。因此 , 在设计尾车钢结构时 , 不仅要保证其强度要求 , 同时也应尽可能提高其刚度 。结构优化主要包括尺寸优化 、形状优化和拓 朴优化 。 相对于前 2种优化 , 拓朴优化属于更高 层次的非线性优化问题 , 可以从根本上改变结构 的形状布局 , 实现真正意义

8、上的最优设计 。拓朴 优化的主要思想是将寻求结构的最优拓朴问题转 化为在给定的设计区域内寻求最优的材料分布问 题 , 最终得到最佳的材料分配方案 , 这种方案在 拓朴优化中表现为 “ 最大刚度 ” 设计 , 即在满足 结构边界条件 (载荷和约束 的情况下减小结构 的变形能 , 也就相当于提高结构的刚度 。54 起重运输机械 2010(3虽然拓朴优化理论的分析研究需要较深的专 业知识 , 但当这种理论日趋成熟并被移植到应用 软件中 , 用其指导工程实践变得切实可行且简单 有效 。 利用 ANSYS 进行拓朴优化的过程 , 不需要 定义参数和优化变量 , 拓朴优化所需的设计变量 、 状态变量和目标

9、函数都由软件自行定义 , 用户只 需给出结构的材料特性 、有限元模型 (含优化与 非优化区域 、 载荷与约束条件以及要去除的材料 百分比 , 然后交由软件自动求解计算即可实现对 结构的拓朴优化分析 。正是由于拓朴优化的优越 性以及操作的可行性 , 越来越多的工程设计人员 开始在结构设计过程中应用拓朴优化分析来指导 结构设计 。2 尾车钢结构拓朴优化分析211 有限元模型的简化一般来说 , 尾车钢结构属于对称的结构形式 ,其上部主要承受均布的物料载荷 , 而底部平台一 般安放电器室 、电缆卷筒等附属设备 。在整个竖 直方向上 , 除了横向连接梁以外 , 其他结构基本 呈对称的 2排布置 , 而且

10、 , 此 2, 其他辅助斜梁的最佳布置形式 。因此 , 可将尾车 钢结构简化为如图 1所示的平面结构 。其中 , 中 间分割出来的细长面的网格部分为设计主框架 , 因为其在整个尾车布局中起主要的支撑作用 , 故 拓朴优化过程中 , 其为非优化区域 。而其他网格 部分则为优化区域 , 随着去除体积百分比的变化 , 拓朴优化过程中 , 其结构形式将会相应地发生变 化 。 为了简便起见 , 底部平台处施加成均布载荷 , 由于拓朴优化的结果只与力作用的位置有关 , 而 与力的大小无关 , 所以施加的载荷一般全为单位 力 。 底部支承车轮处约束 2个方向位移 。图 1 尾车钢结构拓朴优化有限元模型212

11、 尾车钢结构拓朴优化结果图 2为尾车钢结构拓朴优化结果 , 由图中可 以看出体积去除百分比为 95%时的优化结果已经 接近于钢架梁的布置形式 , 这和传统的尾车钢结 构设计形式有比较大的出入 。图 2 尾车钢结构拓朴优化结果(a 体积去除 80% (b 体积去除 85%(c 体积去除 90% (d 体积去除 95%根据优化过程中材料分布的趋势 , 可以得出 :(1 由于尾车钢结构的承载形式类似于桥梁 结构 , 所以 , , 如图 中体 积去 除 腿 , 随着体积去除百分比的增加逐渐消去 , 说明其对结构整体刚度的贡献相对来说要低于其他保 留的斜梁 。(3 前部立腿的上端部分 , 在优化过程中并

12、 未出现传统设计时其两侧斜拉梁式的材料分布趋 势 , 说明这部分对增加结构的整体刚度基本不起 作用 , 其存在只是影响结构局部强度和刚度 。(4 前部悬臂梁处由于悬臂梁伸长较长 , 故 在优化过程中 , 始终有支撑与悬臂梁端部相连 , 这样才能保证悬臂梁的刚度 。如果按图示体积去 除 90%的优化结果增加斜向支撑 , 由于其在承载 情况下支撑整体受压 , 且支撑相对较长 , 故为了 保证受压杆件的稳定性要求 , 势必会要求增加支 撑梁的截面尺寸 , 这样有些得不偿失 , 同时由于 悬臂梁下部空间需要留给设备其他部件 , 所以实 际设计时 (包括后续优化前后比较分析时 , 并不 按优化结果进行

13、。(5 所有保留材料基本上都与底部约束区域 发生联系 , 这说明满足结构变形最小的材料分布 趋势是 , 使材料在满足承载要求的情况下尽可能 地和约束区域 (刚度相对较大的区域 发生联系 。64 起重运输机械 2010(33 尾车钢结构优化前后分析比较311 优化前后尾车钢结构空间模型为了便于比较分析 , 建模时只考虑了优化前 后钢结构中的主要承载梁 , 而用于增加稳定性的 横向加强梁则忽略不计 , 而且 , 优化前后都考虑 了预留电器房存放空间 (优化前位于底部平台前 端 , 而优化后位于底部平台中部 。优化前中间主 要承载梁的设计形式为立腿形式 , 而为了减小胶 带梁的中间挠度 , 主要在立

14、腿的上部两侧增加了 斜拉杆 。 而优化后的模型主要按上面分析的体积 去除 95%时结构形式与钢架梁相近的优化结果 。 前段悬臂梁处根据实际情况的需要 , 并未按优化 结果进行建模 , 而是保留了部分原设计模型 。优 化前后的计算分析模型 , 其主要承载梁的截面尺 寸 、 结构施加载荷以及约束等完全一样 。 312 优化前后尾车钢结构刚度比较由图 3和图 4可以看出 :(1 尾部悬臂梁部分 (点 1、 2、 3 的位移 在优化前后基本不变 , 位移变化明显的是尾车 2立腿中间及前部悬臂梁部分 。(2 58优 化前最 大 位 移 位 ( , 数 值 为 -611408mm , 而优化后由于中部斜梁

15、的支撑作用 , 中间部分刚度相对变大 , 最大位移位置稍向后移 (点 5 , 数值为 -311788mm 。(3 前部悬臂梁部分 (点 10和 11 位移变 化最大 , 优化前后虽然数值大小相当 , 但位移方 向却截然相反 。主要原因是优化后的模型考虑到 空间预留的需要并未完全按照拓朴优化的结果进 行建模 。而实际上 , 优化前后计算分析时并未考 虑胶带张力 , 实际结构承载时 , 对于优化前的结 构来说 , 胶带张力的影响会使承载梁的不平度进 一步加剧 , 也就是说其影响会使前部悬臂梁的末 端进一步上翘 ; 而对优化后的结构来说 , 其对承 载梁的不平度相对削弱 , 胶带张力加载所引起的 前

16、部悬臂梁的末端上翘会与由重力和物料载荷作 用产生的下挠度部分抵消 。(4 优化后尾车钢结构 的刚 度明显 优于 优 化前 。 313 优化前后尾车钢结构强度比较由优化前后尾车钢结构综合应力云图 (图略 图 3 尾车上部承载梁各点编号图 4 优化前后各点竖直方向位移曲线11优化前 21优化后可以看出 :(1 优 化 前 尾 车 钢 结 构 最 大 综 合 应 力 为 2021161MPa, 位于前部立腿两端 , 受力形式为压弯 ;(2 优 化 后 尾 车 钢 结 构 最 大 综 合 应 力 为 1681755MPa, 位于中部斜梁处 , 受力形式为压弯 ;(3 , 。 量 为 36398kg, 优 化 后 为 34269kg, 减重约 6%;(2 优 化 前 基 频 为 01564Hz, 优 化 后 为 01702Hz, 提高约 2415%。4 结论利用 ANSYS 有限元分析软件 , 通过简化模型 , 对尾车钢结构进行拓朴优化分析是切实可行的 。 通过拓朴优化分析 , 可以有效地寻找到结构材料 的最佳分布形式 , 从而在减少结构重量的基础上 , 切实提高结构的强度与刚度 (基频 ,