利用ISIGHT軟件對履帶起重機臂架結構進行優化設計

2016-10-24 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在起重機的傳統設計方法中,多是憑借經驗和判斷,選擇和確定結構方案,初選構件的截面尺寸,然后進行強度、剛度和穩定性的校核和驗算。設計工作周期長,效率低,費用高。同時往往得到的僅僅是可行方案,而不是最優方案。本文首先通過APDL腳本語言建立臂架參數化模型,即建立參數化的CAD模型、參數化的網格劃分與控制、參數化的材料定義、參數化的載荷和邊界條件定義、參數化的分析控制和求解以及參數化的后處理。這樣就可以減小模型建立需要的時間, 提高工作效率。然后在iSIGHT軟件中搭建優化流程,進行DOE與結構優化研究。

iSIGHT 軟件是近年來推出的一個集優化設計和自動化分析計算于一體的多學科優化設計軟件,它融合了優化設計中需要的三大功能:自動化、集成化和最優化。以iSIGHT 軟件為臂架結構優化設計平臺,通過它的文件解析功能可以自動地編輯參數化模型的輸入文件和自動讀取輸出文件。通過過程集成功能可以方便地對Ansys進行自動流程控制。

履帶起重機主要由上車、下車、臂架等組成。其中,臂架是履帶起重機最主要的關鍵部件之一,起重機通過臂架直接吊載,實現大作業高度與幅度。臂架的強度決定了最大起重量時的整機性能,其自重直接影響整機傾覆穩定性。隨著起重機向大噸位起重量和高起升高度發展,對臂架的結構要求越來越高。在保證臂架安全可靠工作的前提下,對臂架進行合理設計,充分發揮材料的力學性能,降低結構重量,提高臂架的強度和穩定性,對提高整機性能具有重要的現實意義。本文以某型號的履帶起重機3米中間節臂為研究對象,選取其截面尺寸及主弦管、腹管結構尺寸為設計變量,以臂架輕量化為優化目標,結合參數化有限元建模技術,建立扭轉工況下優化設計模型

優化流程示意圖

試驗設計(DOE)是指在一系列實驗中確定設計變量值的任何正規方法的總稱,是由試驗方法與數學方法,特別是統計方法相互交叉而形成的一門科學。在臂架的結構優化設計中,試驗設計方法可以充分的研究設計變量對目標函數的影響。可以為進一步的優化工作縮小規模。

為了研究設計變量對目標函數的影響程度,確定不同工況下影響目標函數的關鍵因素;同時縮減優化規模,降低設計變量空間維數,使用iSIGHT 軟件提供的試驗設計方法計算臂架結構優化模型中設計變量的敏感度。應用優化拉丁超立方設計法計算,計算結果如圖4 所示。

設計變量靈敏度分析

根據以上試驗設計(DOE)的敏感度計算,確定了設計變量目標函數和約束的影響關鍵因素。優化方法采用在iSIGHT軟件中提供的pointer智能優化算法,自動組合使用四種優化算法:遺傳算法、序列二次規劃法、線性規劃法和Downhill單純形法,能快速有效地解決復雜系統的優化問題。將優化設計結果進行修正,并在Ansys中重新計算,得到優化設計結果。優化前,臂架重量221kg,優化后200kg,結構減重10%左右。優化前,最大應力142MPa,優化后,最大應力140MPa,如圖5所示。優化前,臨界載荷581800N·m,優化后,臨界載荷643139 N·m。