塔机变截面臂架的优化设计

塔机变截面臂架的优化设计

0减少水平臂架重量,增加内塔式重量臂长，重量大。臂架设计的充分性直接影响重型机器的重量、稳定性和承载能力。因此，在保证臂架重量、刚度和整体稳定性的前提下，应尽可能减少臂架的重量。水平臂架是一双向压弯梁柱构件,内力主要由自重载荷、起升载荷、风载荷产生,因此产生的内力沿臂架长度方向上不同,若采用等截面设计将会造成内力较小处材料浪费,使臂架自重较大,采用变截面设计则可以克服这一缺点。因此,用有限元分析方法,对臂架的强度、刚度进行分析,在前人的基础上,将每节臂架之间的高度差作为设计变量,对臂架进行优化设计,具有重要的工程意义。1元模型的构建1.1空钢臂架与根据以QTZ5010塔式起重机臂架为例,其结构是正三角形截面,腹杆体系为三角形,上弦杆是圆钢管,下弦杆由等边角钢拼焊而成。截面尺寸为1.2m×1m,总长48m,由8节(每节6m)的臂架通过螺栓和销轴连接。臂架根部与塔身以固定铰支座的形式连接,在第2、3节臂架和第6、7节臂架连接处有钢拉杆牵拉。臂架的材料为Q235,钢拉杆的材料为16Mn(Q345),材料密度为7860kg/m3,泊松比为0.3,弹性模量为2.1E11Pa。1.2beam188梁单元模型在CAD软件里建立几何模型再导入ANSYS中分析时,容易丢失数据,划分网格工作量大,所以在此选择直接在ANSYS里建立臂架的线框模型。对于臂架结构的上弦杆、下弦杆、下弦杆件的腹杆和上下弦杆之间的腹杆,本文采用Beam188梁单元模拟,对于只承受轴向拉力的拉杆则采用Link8单元模拟。对于Beam188梁单元来说不需要设置实常数,用section功能进行截面定义。由于这里涉及臂架的变截面,每节臂架有自己的截面尺寸,要对每一个截面进行定义,截面ID号为ij,i表示第i节臂架,j表示型钢(j=1为上弦杆的圆钢管;j=2为下弦杆的角钢焊接拼成的正方形钢管;j=3为腹杆圆钢管),例如:ID号12表示第一节臂架的下弦杆。第一根拉杆的实常数定义为1,第二根拉杆的实常数定义为2。建立的有限元模型如图1所示。1.3臂架风荷载和q、风载荷1)约束边界条件。约束边界条件一般没有变化,对于小车变幅式笔架结构,臂架根部与塔机回转节之间是通过销轴相连,可认为是固定铰支座,约束UX、UY、UZ、ROTX、ROTZ,两拉杆与塔顶之间约束UX、UY、UZ。2)载荷边界条件。载荷边界条件本文主要考虑臂架自重载荷FG、起升载荷FQ、风载荷FW。由于有限元建立的模型是理想化的,一系列的简化造成模型的重量小于比价的真实质量,所以加载时有必要对重量进行补偿,本模型采用密度补偿法进行补偿。只需施加重力加速度,ANSYS会自动计算出自重载荷。对于起升载荷,不同起升幅度的最大吊重不同,因此起升载荷不同,本文中考虑载荷在最大起重幅度处(4t)、两吊点中间(2.34t)、最大幅度处(1t)三种工况的情况。另外,当起升质量突然离地升起和下降制动时,起升载荷将对结构(铅垂方向)和传动机构产生附加的动载荷,用起升动载系数φ2来表示,即起升载荷乘以一个大于1的起升动载系数φ2(此处取1.2)。风载荷FW=CWPWA(CW为风力系数,取1.3;PW为计算风压,以最大风速为13m/s计算,PW=103.6Pa;A为迎风面积),风载荷可以以压强的形式加载臂架迎风面上(CWPW=134.7Pa)。将约束边界条件和载荷边界条件施加在有限元模型上进行求解。2优化分析2.1臂架的优化设计在以往的研究中,以臂架宽度、塔帽高度、上下弦杆截面尺寸等为设计变量的研究较为多见,本文着重研究变截面臂架,因此在这里以上下弦杆、腹杆的截面尺寸和相邻两节臂架之间的高度差为设计变量对塔机臂架进行优化设计;由于下弦杆同时兼做变幅小车的轨道,为了使小车行驶平稳和保持臂架外形上的连续性,两下弦杆之间的距离应保持恒定。设计变量为臂架节上弦杆之间的高度差Hi(i=1、2…7),如图2所示。2.2材料的许用应力由于臂架各构件应满足其强度及刚度的要求,本文的约束条件:计算应力不大于许用值(σmax≤[σ]);计算挠度不大于许用值(fmax≤[f])。许用应力值。其中σs是材料的屈服极限,Q235、Q345材料的屈服极限分别为235MPa、345MPa;ns为安全系数,这里取1.5,计算得出Q235、Q345材料的许用应力分别为1.57E8N/m2、2.30E8N/m2。许用挠度(其中L为臂架长度,根据工况不同分别取6m、24m、48m),计算得出许用挠度分别为0.0252m、0.4032m、1.6128m。2.3杆件面面积li目标函数即为。式中,ρ为材料密度,Ai为各杆件的截面面积,Li为杆件的长度。在此模型中,大部分材料都是Q235,密度为常数,设臂架的总体积为VTOT,质量为WT,则目标函数可简化为WT=ρ*VTOT。2.4设计变量偏导数优化方法是使单个函数(目标函数)在控制条件下达到最小值得传统方法。有两种方法可用:零阶方法和一阶方法。零阶方法只用到因变量而不用到它的偏导数;一阶方法使用因变量对设计变量的偏导数。本文采用一阶方法求解,迭代次数设为30次。3臂架及体的重、以拟合的方式确定于通过优化得到三组满足状态变量要求的最优设计变量,H分别等于122.88mm、154.64mm、200mm,取最小值122.88mm圆整后得122mm,此时臂架自重3957kg,