基于ANSYS的塔式起重机臂架有限元参数化建模与分析

为如下几种 : 代数法、人工智能法、直接操作法和 语言描叙法。本文中有限元参数化模型的建立采用 的就是 ANSYS 的 APDL 语言描述法。
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臂架结构参数化建模分析算例
采用交互式建立塔机的有限元模型, 建模的工
作量将十分巨大, 而且当臂架结构发生变化时 , 需 要重新建立模型。如果把结构模型都以参数化技术 进行有限元建模, 当需要新产品结构设计时, 只需 要输入必要的、合理的参数值, 即可自动建模。考 虑到塔机结构主要以型钢焊接结构为主, 结构具有 相似性, 为进行参数化建模分析提供了必要条件。 可以采用 VB、VC 等程序设计语言编制程序 , 用户 只要输入建立塔机结构所需的一些必要参数, 就可 以输出 ANSYS 参数化建模分析所需的参数化文件, 自动建立塔机有限元分析模型, 这样就可以减小模 型建立需要 的时间, 提 高工作效 率。利用 ANSYS 进行结构参数化建模与分析的基本流程见图 1。 2 1 臂架结构相关参数确定 塔机臂架形式多种多样 , 这里以最常见的正三 角形截面双吊点吊臂为例进行说明。要构建臂架的 有限元参数化模型 , 首先要确定与臂架相关的结构 参数, 主要包括以下数据: ( 1) 基本数据: 包括起 重量、小车轮距、臂架段数、臂架根部到回转中心 距离、小车及吊钩质量等。 ( 2) 臂架的基本数据: 包括臂架高 度、宽度、臂架 段数、每段长 度、节 11
在塔式起重机 ( 以下简称塔机 ) 臂架结构的设 计验算中 , 普遍采用的方法是设计人员最初依据材 料力学原理, 采用许用应力方法进行塔机臂架结构 的设计与校核。运用这种方法由于受工作量限制 , 只能验算几个在理论上认为是危险的截面, 计算的 精度从建模开始就必然受到限制。 随着计算机的飞速发展, 几乎所有的设计制造 都离 不开 有 限元 分 析 计 算, FEA ( Finite E1ement Analysis) 在工 程设计和分析中得到越来越广 泛的 重视 , 其计算结果不仅详尽, 而且更具可靠性。采 用有限元分析的方法进行塔机金属结构的设计计算 将会极大的提高设计效率、保证塔机的设计质量。
一个好的设计, 在总体上必定要体现最大化效 益、最小化成本这一基本原则 , 因而优化设计本质 上应该属于多目标优化问题。与单目标优化不同的 是, 多目标优化问题最优解集中的元素就全体目标 而言往往不可比较, 甚至对一个目标的改善要以其 它目标性能的下降为代价。因此, 多目标优化问题 一般不存在唯一的最优解 , 而是存在多个满意解的 集合, 一般称为 Pareto 最优解集 [ 1] 。传统上处理多 目标优化的方法如线性加权法、功率系数法、协调 曲线法等 , 都是通过某种数学变换将多目标优化转 化为单目标优化问题进行求解 , 属于先决策后搜索
基于 ANSYS 的塔式起重机臂架 有限元参数化建模与分析
华中科技大学
摘
任会礼
济南二机床集团公司
李江波
太原科技大学
高崇仁
要 : 针对塔式起重机在有限元分析过程中建模工作量大的问题 , 将参数 化思想引入 有限元分 析过程中 ,
采用有限元参数化分析文本自动生成技术 , 以通用编 程语言 为基础编 制程序 , 根据输 入参数自 动生成 有限元 建 模分析所需的参数化文件 , 进行结构建模与分析 , 并以塔机臂架结构为例说明方法的可行性。 关键词 : 有限元 ; 参数化建模 ; 塔式起重机 ; 臂架 Abstract: Modeling of tower crane involves a large amount of work, In response to it, this paper applies parameter ized technology to establish finite element model of tower crane, the parameter being created by programs automatically. An actual tower crane boom finite element model is established to show the feasibility of the method. Keywords: finite element; parameterized modeling; tower crane; boom
图 3 臂架 模型
图 4 臂架变形图
图 2 圆管单元划分
图 5 臂架变 形云图
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起重运输机械
2006 ( 9)
基于 Pareto 解集的多目标优化方法及其应用
沈阳建筑大学交通与机械工程学院
摘
费
烨
李楠楠
韩泽光
要 : 针对传统多目标优化设计方法的弱点 , 基于 Pareto 概念 , 借助遗传算法所具有的并行搜索特 性 , 引
图 1 参数化 建模分析流程
本文以某台塔机为例 , 参数取值如下: 吊重质 量 1 200 kg; 塔帽高度 7 060 mm; 小车到回转中心 距离 52 000 mm; 变幅机构质量 245 kg; 变幅机构 到回转中心距离 7 550 mm; 臂架根部到回转中心距 离 750 mm; 臂架分段数为 8; 小车及吊钩质量 395 kg; 小车轮距 1 000 mm; 臂架截面中心线高 1 199 mm; 臂架截面中心宽 1 235 mm; 臂架拉杆直径 50 mm; 第 1 吊点中心距 12 710 mm; 第 2 吊点中心距 37 250 mm 。所有参数通过用户界面进行输入。 2 2 臂架结构参数化建模分析文件的生成 当臂架的结构参数输入完成后 , 就可以生成参 数化建模及分析文件了。以塔机臂架为例 ( 单元及 节点的划分见图 2) , 编写文件输出的函数 , 输出 ANSYS 参 数化 建 模 及 分 析 文件。单 元 类 型 选 用 BEAM44 单元 , 因为 BEAM44 单元可以自定义单元 的截面形状, 可以较好的再现角钢组合、方钢、角 钢等实际形状, 使计算更接近实际。以圆管为例 , 自定义截面时需要输入外径、内径和沿圆周方向要 划分的单 元数 , 采用命 令 SECDATA, R i, R o , N 来进行截面的定义, R i 为内径, R o 为外径, N 为 单元数, 缺省为 8。
长、每段臂架节数。 ( 3) 拉杆基本数据: 包括拉杆 直径、吊点位置、拉杆形式等。
在实际应用中 , 尽管 APDL 语言具有基本的赋 值和循环、判断等功能 , 但其编程的功能终归没有 通用 计算 机语 言 ( VB、 VC 等 ) 强 大, 手工 编写 APDL 批 处理 程序仍 然不 十分 直观 和方 便。 而且 APDL 涉及 ANSYS 的内部命令流, 普通用户并不熟 悉 , 考虑到以上各方面的因素, 可采用 APDL 参数 化文本的自动生成技术 , 即采用通用的高级语言编 制 APDL 参数化建模需要的函数库 , 通过调用函数 库写出参数化建模与分析所需的参数化文本文件。 2 3 计算结果 生成参数化分析文 件后, 有 2 种方式 进行分
的寻优模式。这种解法在工程应用中存在着明显缺 陷 , 它只能获得特定条件下的某一 Pareto 解[ 2] , 该 解往往受限于 设计人员对优化模型性 态的理解程 度、实践经验和个人偏好等先验知识 , 因而在工程 中并非最合理、最理想。 上世纪 70 年代中期发展起来的遗传算法, 由 于其具有随机性的大规模并行搜索特性, 因而成为 求解多目标优化问题新的研究热点[ 3] [ 4] 。本文利用 遗传算法求出多目标优化问题的 Pareto 解集 , 据此 通过决策获得原问题的工程最优解, 形成先寻优后 决策的多目标优化问题求解模式。
析 : ( 1) 采用 GUI 方式 进行。运行 ANSYS 程序, 在命令输入框中按 Input, FileName, txt 格式输入命 令。其中 FileName, txt 为生成的 ANSYS 参数化分 析文件名称。( 2) 采用后台运行的方式 , 即不直接 进入 ANSYS 程序, 而是直接通过程序调用 ANSYS, 进行后台运行分析。采用后台运行方式, 在 VB 中 调用 ANSYS 的方式为: SHELL ( d: \ ANSYS57 \ BIN \ INTEL \ ANSYS57- b - pansys- pro ductfeature- i input- f ile - o output- file , SW- SHOWNOR MAL) 。 本文所采用的是后台运行的方式 , 即在 VB 中 调用 ANSYS 。如果要观察所得结果的图形显示 , 建 议采用 GUI 方式进行 , 在该方式下, 可以在 ANSYS 环境中通过图形显示模型图、应力分布云图和变形 图等, 见图 3、图 4、图 5。
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参数化
在进行系列产品设计 中, 由于其 结构形式 相
同, 而结构尺寸不同 , 如果逐个进行建模分析, 需 要花费大量的人力 和物力资源 , 造成设计周 期延 长。将参数化的思想引进到有限元的源自文库析过程中 , 可以减少系列产品有限元分析的工作量 , 缩短设计 周期 , 提高设计效率。 参数化的概念涵盖很广, 通常指的是参数化的 造型 , 它是一种重要的几何参数快速构造和修改几 何模型的造型方法。参数化设计是实现设计自动化 的主要手段之一。参数化建模用于基本结构形状相 同但具体模型形状有较小变动的系列产品的设计。 根据如何得到参数值 , 可以将常见的参数化方法分 起重运输机械 2006 ( 9)
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结束语
( 1) ANSYS 功能强大 , 可以解决工程中的很多
入群体排序技术、小生境技术求得多目标优化问题的 Pareto 解集 , 实现了先寻优后决策的求解模式。实际工程 算 例表明 , 该模式可同时获得多个 Pareto 最优解 , 据此决策能有效弱化设计人员先验知识不足的影响 , 因而较传 统 多目标优化方法更为实用有效。 关键词 : 多目标优化 ; Pareto 解集 ; 遗传算法 ; 应用 Abstract: In view of the shortcomings of traditional multi- objective optimization methods, the Pareto sets of multi- objec tive optimization problem is provided by introducing population ranking and niche technique into genetic algorithm. The pattern making decision after searching optimum solutions is realized. Several Pareto optimum solutions can be obtained and this weaken designer s transcendental information deficiency problem. An engineering example shows that the pattern is more applicable and effective than traditional one. Keywords: multi- optimization; Pareto set; genetic algorithm; decision- making
2 王金诺等 社 , 2002 3 徐格宁等 起重运输机金属结构设 计 北京 : 机械工 业 出版社 , 1997 4 ANSYS 公司 ANSYS 高级分析技术指南 5 博弈创作 室 APDL 参数 化有 限元 分析 技术 及其 应用 实 例 作 地 北京 : 中国水利水电出版社 , 2004 者 : 任会礼 址 : 武汉 洪山 区珞 瑜 路 1037 号华 中 科技 大学 C5 306 编 : 430074 起重运输机金属结构 北京 : 中国铁道出 版