基于iSIGHT的桁架结构优化设计

（1）设计变量
选取履带起重机中间节臂架几何模型参数和
物理特性参数为设计变量
X=[x1，x2，x3，…x11]T＝
[L1，L2，L3，L4，N，D1，D2，D3，T1，T2，T3]T
（2）
式中 L1— ——中间节臂长；
L2— — — 中 间 节 臂 宽 ；
L3— — — 中 间 节 臂 高 ；
L4— ——中间节臂接头长； N— ——中间斜腹管数；
图 1 3 m 中间节臂架主视图
法和流程可以为臂架系统的优化建模提供重要的
参考价值。
1 数学模型
优化设计的数学建模，就是描述优化问题的设
计内容、变量关系、有关设计条件和优化意图的数
学表达式。 数学模型能否严密和准确地反映优化问
题的实质，是优化设计成败的关键。 一般数学模型
为
≥≥minF（X）
≥
≥
≥≥≥X∈D Rn
文的研究对象设计变量的数量较少，因此采用全部
设计变量进行优化。 优化方法采用在 iSIGHT 软件
中提供的 pointer 智能优化算法，自动组合使用 4 种
优化算法：遗传算法、序列二次规划法、线性规划法
和 Downhill 单纯形法， 能快速有效地解决复杂系统
的优化问题。 将优化设计结果进行修正，并在 Ansys
摘 要： 针对目前履带起重机臂架设计冗余度过剩等问题， 以某型履带起重机 3 m 中间节臂 为研究对象，以臂架轻量化为优化目标，建立扭转工况下参数化有限元优化设计模型。 在 iSIGHT 软件中搭建优化流程，进行 DOE 分析与优化设计研究，仿真结果表明，DOE 分析结果与试验结果 一致；在保证强度和稳定性的情况下，重量减轻 10%。
程，进行 DOE 与结构优化研究。 iSIGHT 软件是近年
来推出的一个集优化设计和自动化分析计算于一
体的多学科优化设计软件，它融合了优化设计中需
要的三大功能： 自动化、 集成化和最优化。 以
iSIGHT 软件为臂架结构优化设计平台，通过它的文
件提供的试验设计方法计算臂架结构优化模型中
设计变量的敏感度。 应用优化拉丁超立方设计法计
第 32 卷第 02Coal Mine Machinery
Vol.32No.02 Feb. 2011
基于 iSIGHT 的桁架结构优化设计 *
聂勇军 1， 廖启征 2 （1. 广州航海高等专科学校， 广州 510725； 2. 北京邮电大学 自动化学院，北京 100876）
≥
（1）
≥≥≥D:gi（X）≥0 i=1，2，…，m
≥
≥≥≥hj（X）=0 j=1，2，…，p，p＜n
X 为 设 计 变 量 ，X=[x1，x2， … ，]T；F （X） 为 目 标 函
数 ，gi（X）、hj（X）为 设 计 约 束 。
本文选取 SCC500E3m 中间节臂架扭转工况为
图 2 3 m 中间节臂架立体图
*校 级 科 研 课 题 基 金 资 助 （201012B11）
D1— — — 主 弦 杆 外 直 径 ； 32
第 32 卷第 02 期
基于 iSIGHT 的桁架结构优化设计— ——聂勇军，等
Vol.32No.02
T1— — — 主 弦 杆 管 壁 厚 ；
法， 特别是统计方法相互交叉而形成的一门科学。
关键词： iSIGHT； 参数模型； 优化设计 中图分类号： TH122 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）02 － 0032 － 03
Optimal Design on Jib Structure of Crawler Crane Base on iSIGHT
NIE Yong-jun1， LIAO Qi-zheng2 （1. Guangzhou Maritine College， Guangzhou 510725， China； 2. College of Automation, Beijing University of Posts and
Telecommunications， Beijing 100876， China）
Abstract： To solve the problem about design redundancy on jib of crawler crane，the optimal design model for a crawler crane 3 m boom insert was built with Ansys parameter design language, in which the lightweight design of jib was optimization objective. The optimization process was created in iSIGHT, and DOE and optimal design was studied. The result shows DOE analysis results agree well with experimental results and the mass of boom insert decreases by 10% in occasion with satisfying intensity and stability. Key words: iSIGHT； parametric modeling； optimal design
Vol.32No.02
基于 iSIGHT 的桁架结构优化设计— ——聂勇军，等
第 32 卷第 02 期
NODAL DOCUTION STEP=1 SUB=4 FACT=5.61e SEQV (AVG) DMX=.005 404 SMN=.230E+07 SMX=.142E+09
max=142 MPa
强度约束，有限元计算最大应力
优化规模，降低设计变量空间维数，使用 iSIGHT 软
σmax≤［σ］
（3）
式中 ［σ］— ——材料许用应力。
稳定性约束，临界载荷
N=
π2EA 10 000
λ2
≤［N］
（4）
式中 ［N］— ——许用临界载荷；
E— ——弹性模量；
A— ——截面面积；
λ— ——特征值。
（3）优化目标
NODAL DOCUTION STEP=1 SUB=4 FACT=6.431 SEQV (AVG) DMX=.004 209 SMN=.297E+07 SMX=.140E+09
max=140 MPa
MAY 29 2010 19:07:01
Y
Z
X
压 力 值 /MPa
300
250
200
150
100
50
0
（1）设计变量的试验设计
前，最大应力 142 MPa，优化后，最大应力 140 MPa，
试 验 设 计 是 指 在 一 系 列 实 验 中 确 定 设 计 变 量 如图 4 所 示。 优化前，临 界载荷 581 800 Nm，优 化
值的任何正规方法的总称，是由试验方法与数学方 后，临界载荷 643 139 Nm。 33
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
%effect on WT
（a） 临 界 载 荷 /％
（b ） 最 大 应 力 /％
（c ） 重 量 /％
图 3 设计变量对临界载荷、最大应力、重量的影响
（2）优化设计结果
根据以上试验设计的敏感度计算，确定了设计
变量目标函数和约束的影响关键因素。 但考虑到本
臂架的主要结构形式和外载荷不变。 当设计变
量变化时，要求有限元计算结果中，在最大应力，临
界载荷满足要求的情况下，获取臂架结构的最小重
量，作为设计的目标函数 F（X）
minF（X）=W1+W2+W3+W4
（5）
式中 W1— ——所有主弦杆重量；
W2— — — 斜 向 腹 管 重 量 ；
W3— — — 垂 向 腹 管 重 量 ；
（2 ） 优 化 后 图 4 应力变化图
（1）建立了某型履带起重机 3 m 中间节扭转优 化数学模型， 并且使用 iSIGHT 软件和 Ansys 软 件 进行 DOE 试验设计分析和优化设计， 分析结果表
如图 5 所示，在臂架扭转失稳开始时，优化前 明： 腹杆截面尺寸及布置对臂架的稳定性影响较
后有限元计算结果均为侧面第 3 根斜向腹管最先 大，腹杆结构尺寸对强度影响较大；主弦杆截面尺
得的结果是一致的。
D2 T2 N D2-T2 D2-N N-T2 D2^2 N^2 T2^2 D1
0 4 8 12 16 20 24 28
%effect on FORCE_L
T2 T2^2
D2
N
D2-T2
L2
L3 L2-L3
N-T2 N^2
0
12 20 30
%effect on MAX
T1 T2 D1 N T3 D2 N-T2 D2-T2 L3 L2
0 引言
例，进行结构优化减重，如图 1、图 2 所示。
随着计算机技术的发展，有限元技术和结构优
化设计技术迅速发展。 近年来，很多学者在结构优
∩
L3
化设计方面做了大量的工作，取得了卓有成效的成
果。 本文以某型履带起重机 3 m 中间节为例，以其 扭转试验工况为基础，在满足强度和稳定性的前提
L4
L1
下，对其进行了结构减重优化研究。 本文的分析方
中重新计算，得到优化设计结果，如表 1 所示。
表 1 优化设计结果
L2 L3 L4 D1 D2 D3 T1 T2 T3 N wt max Force_1 初始方案 1.3 1.3 0.12 0.076 0.042 0.042 0.005 5 0.003 0.003 4 221 142 581 800 优化方案 1.3 1.3 0.12 0.075 0.042 0.042 0.003 9 0.003 0.003 5 200 140 643 139