1、 起重運輸機械 2010(3 4Roland Sieg wart, Illah R Nourbakhsh 1自主移動機器人 導論 M.西安 :西安交通大學出版社 , 200615方慶琯 1物流系統設施與設備 M.北京 :清華大學出版社 , 200916肖人彬 , 曹鵬林 , 劉勇 1工程免疫計算 M1北京 :科學出版社 , 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 :黃建中地 址 :安

3、徽馬鞍山市花山區國際華城 3村 17棟 603號 郵 編 :243000收稿日期 :2009-09-21基于 ANS Y S 的堆取料機尾車鋼結構拓樸優化分析張守云大連重工 起重集團設計研究院 大連 116013 摘 要 :基于有限元分析軟件 ANSYS, 根據堆取料機尾車鋼結構承載的形式與特點 , 對簡化的尾車鋼結構進行拓樸優化 , 得到了尾車鋼結構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 空間尾車鋼結構模型進行有限元靜力和模態分析計算 , 對優化前后 2種模型的應力 、位移 、 重量及基頻進行了 比較 , 從而進一步驗證了對尾車鋼結構進行拓樸優化的可行性和優化結

4、果的合理性 。關鍵詞 :ANSYS; 堆取料機 ; 尾車鋼結構 ; 拓樸優化中圖分類號 :TH248 文獻標識碼 :A 文章編號 :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 , 通過懸臂帶式輸送機堆料運行 , 將物料拋向 料場實現堆料作業 。因此 , 尾車作業過程中 , 承 受的主要是其上部輸送帶上的物料載荷 , 輸送帶 由托輥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輥和滾筒偏 心等影響 , 尾車會受到一定的動載沖擊 。因此 , 在設計尾車鋼結構時 , 不僅要保證其強度要求 , 同時也應盡可能提高其剛度 。結構優化主要包括尺寸優化 、形狀優化和拓 樸優化 。 相對于前 2種優化 , 拓樸優化屬于更高 層次的非線性優化問題 , 可以從根本上改變結構 的形狀布局 , 實現真正意義

8、上的最優設計 。拓樸 優化的主要思想是將尋求結構的最優拓樸問題轉 化為在給定的設計區域內尋求最優的材料分布問 題 , 最終得到最佳的材料分配方案 , 這種方案在 拓樸優化中表現為 “ 最大剛度 ” 設計 , 即在滿足 結構邊界條件 (載荷和約束 的情況下減小結構 的變形能 , 也就相當于提高結構的剛度 。54 起重運輸機械 2010(3雖然拓樸優化理論的分析研究需要較深的專 業知識 , 但當這種理論日趨成熟并被移植到應用 軟件中 , 用其指導工程實踐變得切實可行且簡單 有效 。 利用 ANSYS 進行拓樸優化的過程 , 不需要 定義參數和優化變量 , 拓樸優化所需的設計變量 、 狀態變量和目標

9、函數都由軟件自行定義 , 用戶只 需給出結構的材料特性 、有限元模型 (含優化與 非優化區域 、 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對 結構的拓樸優化分析 。正是由于拓樸優化的優越 性以及操作的可行性 , 越來越多的工程設計人員 開始在結構設計過程中應用拓樸優化分析來指導 結構設計 。2 尾車鋼結構拓樸優化分析211 有限元模型的簡化一般來說 , 尾車鋼結構屬于對稱的結構形式 ,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 、電纜卷筒等附屬設備 。在整個豎 直方向上 , 除了橫向連接梁以外 , 其他結構基本 呈對稱的 2排布置 , 而且

10、 , 此 2, 其他輔助斜梁的最佳布置形式 。因此 , 可將尾車 鋼結構簡化為如圖 1所示的平面結構 。其中 , 中 間分割出來的細長面的網格部分為設計主框架 , 因為其在整個尾車布局中起主要的支撐作用 , 故 拓樸優化過程中 , 其為非優化區域 。而其他網格 部分則為優化區域 , 隨著去除體積百分比的變化 , 拓樸優化過程中 , 其結構形式將會相應地發生變 化 。 為了簡便起見 , 底部平臺處施加成均布載荷 , 由于拓樸優化的結果只與力作用的位置有關 , 而 與力的大小無關 , 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 。圖 1 尾車鋼結構拓樸優化有限元模型212

11、 尾車鋼結構拓樸優化結果圖 2為尾車鋼結構拓樸優化結果 , 由圖中可 以看出體積去除百分比為 95%時的優化結果已經 接近于鋼架梁的布置形式 , 這和傳統的尾車鋼結 構設計形式有比較大的出入 。圖 2 尾車鋼結構拓樸優化結果(a 體積去除 80% (b 體積去除 85%(c 體積去除 90% (d 體積去除 95%根據優化過程中材料分布的趨勢 , 可以得出 :(1 由于尾車鋼結構的承載形式類似于橋梁 結構 , 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 , 說明其對結構整體剛度的貢獻相對來說要低于其他保 留的斜梁 。(3 前部立腿的上端部分 , 在優化過程中并

12、 未出現傳統設計時其兩側斜拉梁式的材料分布趨 勢 , 說明這部分對增加結構的整體剛度基本不起 作用 , 其存在只是影響結構局部強度和剛度 。(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%的優化結果增加斜向支撐 , 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 保證受壓桿件的穩定性要求 , 勢必會要求增加支 撐梁的截面尺寸 , 這樣有些得不償失 , 同時由于 懸臂梁下部空間需要留給設備其他部件 , 所以實 際設計時 (包括后續優化前后比較分析時 , 并不 按優化結果進行

13、。(5 所有保留材料基本上都與底部約束區域 發生聯系 , 這說明滿足結構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 地和約束區域 (剛度相對較大的區域 發生聯系 。64 起重運輸機械 2010(33 尾車鋼結構優化前后分析比較311 優化前后尾車鋼結構空間模型為了便于比較分析 , 建模時只考慮了優化前 后鋼結構中的主要承載梁 , 而用于增加穩定性的 橫向加強梁則忽略不計 , 而且 , 優化前后都考慮 了預留電器房存放空間 (優化前位于底部平臺前 端 , 而優化后位于底部平臺中部 。優化前中間主 要承載梁的設計形式為立腿形式 , 而為了減小膠 帶梁的中間撓度 , 主要在立

14、腿的上部兩側增加了 斜拉桿 。 而優化后的模型主要按上面分析的體積 去除 95%時結構形式與鋼架梁相近的優化結果 。 前段懸臂梁處根據實際情況的需要 , 并未按優化 結果進行建模 , 而是保留了部分原設計模型 。優 化前后的計算分析模型 , 其主要承載梁的截面尺 寸 、 結構施加載荷以及約束等完全一樣 。 312 優化前后尾車鋼結構剛度比較由圖 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 化前最 大 位 移 位 ( , 數 值 為 -611408mm , 而優化后由于中部斜梁

15、的支撐作用 , 中間部分剛度相對變大 , 最大位移位置稍向后移 (點 5 , 數值為 -311788mm 。(3 前部懸臂梁部分 (點 10和 11 位移變 化最大 , 優化前后雖然數值大小相當 , 但位移方 向卻截然相反 。主要原因是優化后的模型考慮到 空間預留的需要并未完全按照拓樸優化的結果進 行建模 。而實際上 , 優化前后計算分析時并未考 慮膠帶張力 , 實際結構承載時 , 對于優化前的結 構來說 , 膠帶張力的影響會使承載梁的不平度進 一步加劇 , 也就是說其影響會使前部懸臂梁的末 端進一步上翹 ; 而對優化后的結構來說 , 其對承 載梁的不平度相對削弱 , 膠帶張力加載所引起的 前

16、部懸臂梁的末端上翹會與由重力和物料載荷作 用產生的下撓度部分抵消 。(4 優化后尾車鋼結構 的剛 度明顯 優于 優 化前 。 313 優化前后尾車鋼結構強度比較由優化前后尾車鋼結構綜合應力云圖 (圖略 圖 3 尾車上部承載梁各點編號圖 4 優化前后各點豎直方向位移曲線11優化前 21優化后可以看出 :(1 優 化 前 尾 車 鋼 結 構 最 大 綜 合 應 力 為 2021161MPa, 位于前部立腿兩端 , 受力形式為壓彎 ;(2 優 化 后 尾 車 鋼 結 構 最 大 綜 合 應 力 為 1681755MPa, 位于中部斜梁處 , 受力形式為壓彎 ;(3 , 。 量 為 36398kg, 優 化 后 為 34269kg, 減重約 6%;(2 優 化 前 基 頻 為 01564Hz, 優 化 后 為 01702Hz, 提高約 2415%。4 結論利用 ANSYS 有限元分析軟件 , 通過簡化模型 , 對尾車鋼結構進行拓樸優化分析是切實可行的 。 通過拓樸優化分析 , 可以有效地尋找到結構材料 的最佳分布形式 , 從而在減少結構重量的基礎上 , 切實提高結構的強度與剛度 (基頻 ,