基于ANSYS的桥式起重机主梁优化设计(2021版)

基于ANSYS的桥式起重机主梁优化设计(2021版)

Safety management is an important part of enterprise production management. The object is the state management and control of all people, objects and environments in production.

( 安全管理 )

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编号：AQ-SN-0478

基于ANSYS的桥式起重机主梁优化设计

(2021版)

本文以16t双梁桥式起重机为例，通过有限元软件ANSYS对其主梁进行目标驱动优化（GoalDrivenOptimization），结果相较于优化前质量减轻了24.9%，效果非常显著，并且针对优化前后进行了静力分析，优化结果可靠可行。本文通过主梁的参数化设计和优化设计，实现了质量减轻的目的，对桥式起重机的设计具有重大意义。

桥式起重机已经成为了现代化生产中必不可少的一种机械设备，除了运用方便、效果显著等原因外，桥式起重机在安全方面相较于其他设备同样有着明显的优势，例如，在实际生产中，桥式起重机能显著提高生产安全，减小事故发生率。长久以来，我国对于重型机械的要求是够大够结实，因此，在传统的设计方法和加工工

艺的限制下，我们设计出来的桥式起重机往往都具有过高的安全系数，这样设计虽然安全，但是，正因为过于安全了，我们的设计造成许多材料的浪费和废弃。通过大量设计和实例表明，桥式起重机60%以上的重量是和主梁结构相关的，因此，主梁的结构设计是否合理，直接关系到钢材耗费量的多少。采用ANSYS对起重机主梁进行结构的优化设计，不仅能实现主梁的形状优化，从而改进产品外形，同时能提高整机性能，减少制造成本和材料消耗。

主梁结构分析

本文在进行优化设计前，先对桥式起重机主梁进行静力分析，分析的目的是求出主梁的最大应力和最大位移，方便后续的优化以及对比。

本文的研究对象是16t双梁桥式起重机，主梁由上、下盖板、两块腹板以及隔板组成，同时，为了分析更为准确，本文对端梁也进行了建模。

1.1参数化建模

优化设计就是讲设定的参数不断优化，最终在众多方案中寻找

最佳方案的过程，因此，在建模时，需要实施参数化建模。本文采取PROE建模，并且设定了8个优化参数。

1.2有限元的前处理

本文选取solid45单元，材料全部采用Q235，材料密度，弹性模量，泊松比。

网格划分以四边形单元为主，同时在个别部位采用三角形单元。

在有限元中，为了确保结果的正确性，需要依据实际情况对模型施加约束。对于本文来说，分析的是桥式起重机主梁，约束的对象就在端梁的支撑面，即端梁大车轮处。需要约束的四个支撑面，均拥有6个自由度，即X、Y、Z方向的平移自由度和X、Y、Z方向的旋转自由度，依据实际情况，采取全约束。

当起重机小车满载处于主梁跨中位置时，主梁的应力和变形是最大的，因此，本文的研究工况为小车满载处于主梁跨中处。

1.3求解

当完成主梁的建模以及选取单元、定义材料属性、网格划分、施加约束和施加载荷以后，即可对主梁进行求解，得出主梁的应力

云图和位移云图，如下图所示：

优化设计

优化设计的过程就是分析、评估、修整的循环过程，当用户输入设计参数，ANSYS会对参数进行分析，然后按照用户要求对分析结果进行评估，最后按照算法进行修整。循环过程会不断重复，一直到满足用户要求打止。

2.1设计变量

优化设计中，对于变量的数目需要严格控制，变量过多，所求问题就会过于复杂，虽然会得到很好的优化结果，但是无形中增大了计算量和计算难度，以至于得不偿失。因此，在确定变量数目前，需要对研究的结构进行仔细分析，对于设计中几乎没有影响甚至是完全没有影响的参数可以进行忽略，或者以作为给定条件或转化成约束条件的方式来进行处理，尽量减少设计变量的个数，以达到控制变量个数的目的。本文设计了8个变量，如表2.1所示：表2.1设计变量表

Table2.1Designvariablestable

优化变量的名称

对应Workbench的名称

主梁上盖板宽度

主梁上盖板厚度

端梁高度

主梁腹板高度

主梁下盖板厚度

主梁腹板厚度

端梁内壁间距

端梁盖板长度

本文对16t双梁桥式起重机的主梁进行了参数化建模，然后通过无缝连接导入ANSYSWorkbench进行了静力分析，得出结构符合要求的结论。在此基础上，对主梁进行了优化，优化得出81组优化数据，经过筛选得出最优解，相比优化前减轻了24.9%，并且进行了优化后的应力、位移的云图对比，得出优化满足要求的结果。本文结论为桥式起重机主梁的设计和改善提供了有益的指导，具有一定的

参考价值。

XXX图文设计

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