利用ISIGHT軟件對履帶起重機臂架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計

2016-10-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在起重機的傳統(tǒng)設(shè)計方法中,多是憑借經(jīng)驗和判斷,選擇和確定結(jié)構(gòu)方案,初選構(gòu)件的截面尺寸,然后進行強度、剛度和穩(wěn)定性的校核和驗算。設(shè)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(yōu)方案。本文首先通過APDL腳本語言建立臂架參數(shù)化模型,即建立參數(shù)化的CAD模型、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化的載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)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(yōu)化流程,進行DOE與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

iSIGHT 軟件是近年來推出的一個集優(yōu)化設(shè)計和自動化分析計算于一體的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計軟件,它融合了優(yōu)化設(shè)計中需要的三大功能:自動化、集成化和最優(yōu)化。以iSIGHT 軟件為臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計平臺,通過它的文件解析功能可以自動地編輯參數(shù)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(guān)鍵部件之一,起重機通過臂架直接吊載,實現(xiàn)大作業(yè)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(wěn)定性。隨著起重機向大噸位起重量和高起升高度發(fā)展,對臂架的結(jié)構(gòu)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(shè)計,充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能,降低結(jié)構(gòu)重量,提高臂架的強度和穩(wěn)定性,對提高整機性能具有重要的現(xiàn)實意義。本文以某型號的履帶起重機3米中間節(jié)臂為研究對象,選取其截面尺寸及主弦管、腹管結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計變量,以臂架輕量化為優(yōu)化目標,結(jié)合參數(shù)化有限元建模技術(shù),建立扭轉(zhuǎn)工況下優(yōu)化設(shè)計模型

優(yōu)化流程示意圖

試驗設(shè)計(DOE)是指在一系列實驗中確定設(shè)計變量值的任何正規(guī)方法的總稱,是由試驗方法與數(shù)學(xué)方法,特別是統(tǒng)計方法相互交叉而形成的一門科學(xué)。在臂架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中,試驗設(shè)計方法可以充分的研究設(shè)計變量對目標函數(shù)的影響。可以為進一步的優(yōu)化工作縮小規(guī)模。

為了研究設(shè)計變量對目標函數(shù)的影響程度,確定不同工況下影響目標函數(shù)的關(guān)鍵因素;同時縮減優(yōu)化規(guī)模,降低設(shè)計變量空間維數(shù),使用iSIGHT 軟件提供的試驗設(shè)計方法計算臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型中設(shè)計變量的敏感度。應(yīng)用優(yōu)化拉丁超立方設(shè)計法計算,計算結(jié)果如圖4 所示。

設(shè)計變量靈敏度分析

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