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1、基于ANSYSWorkbench的塔机臂架结构优化分析（广东省特种设备检测研究院珠海检测院，珠海519001）摘要:以塔式起重机臂架结构为研究对象，借助ANSYSWorkbench进行融模型创建、有限元求解、优化设计于一体的工程分析与应用，并以TC5613塔机臂架为实例进行阐述说明，其优化效果良好，工程应用性强，可为同类产品的设计、分析提供有价值的参考。关键词：塔机臂架；结构优化；ANSYSWorkbench1引言塔机臂架结构属于典型的格构式结构，由多种型钢拼接而成，塔臂作为塔机重要的承载部件，其优化设计可以提升
2、整机设计水平，具有较为明显的经济效益，符合当前塔机设计的发展潮流。目前多采用ANSYS经典模块进行建模、分析或是在三维软件如Pro/E,UG,Solidworks创建模型导入ANSYS平台上进行分析；而ANSYS经典模块建模难度大、界面不友好，采用文件导入方式进行分析会带来数据文件的兼容性问题，兵有一定的限制性，比如:当前除了UG的线体模型可以被识别外，ANSYS无法识别其他三维软件的线体模型[1】。鉴于此，采用ANSYSWorkbench进行建模、求解与优化的一体化工程分析与座用，探索一种简单易行的新型工程优化
3、方法，并为其它同类产品的优化分析提供有价值的参考。2臂架结构的建模以某企业生产的TC5613双吊点水平臂架结构为研究对象进行建模分析，其基木参数如下:臂架工作幅度为56m,截面宽度为1.235m，截面高度为1.188m；臂架材料选用Q235,密度=7800kg/m3,=235MPa。=175.37MPa,[SL]=0.6494m,工作风压取250Pa，风载荷以集中力的形式作用在单元节点上，回转角速度，角加速度α=0.01r/s2,在臂架56m位置施加1.3t的吊重。使用Workbench模块对臂架结构
4、进行建模，外拉杆CM—端与臂架铰接于点M,—端与塔帽铰接与点C;内拉杆CN—端与臂架铰接于点N,—端与塔帽铰接于点C,故采用杆单元linklSO创建两个斜拉杆；采用系统默认的beaml88单元构建塔臂的各个杆件，塔臂与塔帽铰接于点A、B，故限制A、B两点的X、Y、Z平动自由度及X、丫转动自由度。如图1所示。图1臂架结构约束示意图图2塔机臂架冇限元模型该模型包含2269个节点，1636个单元，塔臂模型如图2所示。3有限元求解及后处理查看ANSYSWorkbench与ANSYS经典模块共用同一-有限元求解内核，在冇限
5、元计算完毕后，对感兴趣的后处理结果项进行查看：臂架重量5146Kg,臂架结构最大等效应力169.32MPa,臂架端部最大位移0.6652m。至此ANSYSWorkbench平台下的塔机臂架建模、冇限元分析及后处理结果查看为后续的优化分析奠定了基础。4臂架结构的优化分析研究TC5613臂架结构的尺寸优化问题，以臂架重量最小为优化0标，对臂架强度、刚度进行约束，选取臂架截面各型钢尺汴为设计变量，从而构建臂架结构优化模型，以实现更合理的材料分配、更充分的材料应用。设计变量：图3臂架结构优化参数示意图此处以臂架下弦杆尺
6、T（L、Th）、上弦杆尺寸（D、T）、斜腹杆尺、？（d、t）为设计变量，如图3所示，各设汁变量的初始值、取值范围如表1所示。表1各设计变量信息列表约束条件［2】：强度：式中：N——臂架承受的轴向力，单位为N;Aj一一臂架净截面面积，单位为m2;Mx、My臂漿计算截面对X、丫轴的基本弯姐，单位为Nm;Wjx、Wjy臂漿挣截面对X、丫轴的抗弯截面系数，单位为m3;NEx、NEy——臂架的名义欧拉临界力，单位为N;——臂架材料许用应力，单位为MPa。臂架材料取Q235,为180Mpa。刚度：(2)式中：一一臂架端部总挠
7、度，单位为m;一一臂架的许用静位移，单位为m。优化目标：⑶式中：：臂恕重量，单位取Kg;:各杆件材料密度，此处均取7800;:各杆件体积，单位取；:各杆件截面积，单位取；:各杆件长度，单位取；:臂架单元总数。采用ANSYSWorkbench的Screening优化算法进行优化，最终的优化结果如表2所示。表2优化结果列表对上述杆件尺寸进行圆整，得到：下弦杆外尺寸0.09m,对应壁厚为0.007m,上弦杆尺、j•为0.087m，对应壁厚为0.008m,腹杆尺寸为0.046m，对应壁厚为0.002m；臂架强度为177.
8、01Mpa，刚度为0.6968m，臂架重量为4681.6Kg,臂架重量减轻了9.02%,同吋可以看出臂架的强度、刚度均冇不同程度的增加,表明臂架材料力学性能得到了充分的应用。可以得到如图4所示的各设计变量相对于臂架质量的灵敏度条形图，其中臂架上弦杆壁厚对于臂架重量的影响最人；当设计变量数0众多时，也可以利用灵敏度条形图分析各设计变量的影响程度，从中筛选出较为主要的影响因素
