基于ANSYS的工程机械钢结构优化设计分析

刘常

摘要：文章介绍了工程机械钢结构的设计特点，并且结合有限元分析的基本思想以及物理力学等基本理论，对工程机械钢结构的设计与结构优化时的性能要求进行了细致分析，并且重点研究了工程机械钢结构在使用过程中对强度、刚度等方面的要求。

前言

随着社会和经济在不断的进步和发展，人口的增加以及农村人口向城市流动以及公路的扩建，就会要求住房不断的增加以及不断增加的公路桥梁等工程的建设，在建房和公路桥梁的建设的过程中就会需要使用大量的工程机械进行建设和工作。而工程机械大都是由钢结构制造的，而目前大多数的钢结构的形状和尺寸都是根据计算的结果，在计算的计算上乘以一个安全系数就得出所用钢结构的形状形式和尺寸的大小。由于资源的短缺各个国家和企业都会考虑提高材料的利用率，这就需要设计合理的结构，在达到使用功能的基础上减少材料的使用，从而使整个设备的质量降低，也节约了设备的能源消耗量。为了减少使用不同种类的钢结构进行实验的费用，我们可以使用仿真软件ANSYS对不同的工程机械机构进行仿真，最后得到工程机械钢结构的最优化。

1. 设计工程机械钢结构的特性要求

我国最近几年的发展非常的额迅速，不管是住房还是道路桥梁的建设都在快速的发展中，这就需要使用机械设备来进行施工，在施工中的设备全部称为工程机械。我们都知道工程机械主要是由钢结构、液压和电气控制部分和动力控制部分构成。我们使用工程机械中最常见的架桥机最为对象进行研究，架桥机中最重要的机构就是钢结构，并以天车作为整个设备的传动部分，也是利用液压控制系统和电气控制系统联合使用的，架桥机的钢结构类似于人类的骨骼，是架桥机完成施工的最重要的结构，钢结构是否能够满足使用要求和安全要求是影响整个作业安全性和人员安全性的重要因素，所以我们要对整个架桥机的钢结构进行受力性能分析。在架桥机工作时先将混凝土梁运到制定的地方，然后通过架桥机的液压控制系统和电气控制系统来控制架桥机的钢结构部分将混凝土梁抬放到相应的位置，在这个工作工程中钢结构的安全性是非常重要的，如果钢结构的质量不合格不仅会造成财产的重大损失还会造成工作人员的重大伤亡。但是一味的最求钢结构的安全性就会造成刚接后的尺寸变得很大，从而增加了钢结构的重量和浪费了钢材料，也会间接地增加驱动架桥机所需要的能源和动力资源，这对资源匮乏的今天是不可取的。为了在保证钢结构安全使用性能的基础上，减少钢机构的重量和钢材料的使用，我们就要对工程机械的钢结构进行优化处理，这样才能设计出既满足力学性能要求，又能减少资源的使用和节约能量的目的。为了减少实验的曾本，可以使用有限元对钢结构进行设计，并使用ANSYS软件对钢结构进行优化。

2. 结构优化时的有限元分析

对于一些结构特别复杂的钢结构我们使用普通的方法不能准确的计算出构件中任意地方的应力，这时我们就要使用有限元的方法对构件各部分的应力和应变进行计算，从而得到较为准确的应力和应变以及安全系数，进而判断钢结构的安全性和可靠性。随着计算机的发展和有限元的仿真软件的快速发展，计算机仿真软件基本上可以取代人工计算了，这样只需确定钢结构的初始条件和边界条件就能对钢结构进行有限元仿真。

还是以架桥机为研究对象进行分析和仿真，首选我们可以根据钢结构的形状和尺寸利用物理建模软件进行物理建模，例如常见的UG、SolidWorks进行物理建模，然后在把建好的物理模型导入ANSYS软件，在仿真软件中对建好的模型进行网格划分，在定义钢结构的材料，以及添加钢结构的受力和约束等边界条件，将所有的边界条件都定义完后，就可以定义我们所要观察和显示的各个应力、应变等模块，将上述都完成后就可以对该模型进行有限元计算了，当计算完后，我们就可以查看应力云图和应变云图，就可以得出钢结构中任意位置的应力和应变，也可以判断这个钢结构是否符合和满足力学性能要求。

3. 基于ANSYS 参数化设计语言

3.1在上一节中我们讲的都太笼统了，对于钢结构怎样建立物理模型也是一个比较复杂的问题，在这个过程中会涉及到很多的参数设置。在机械钢结构设计时，要尽量设计一种满足性能又使用较少的钢材的结构，因为里面的杆件和梁的数量比较多，各个构件的尺寸的设计也是多种多样的，这也就使物理模型的参数设定变的非常的多样化。然后根据钢结构里面构件的各种参数建立各种物理模型。

3.2在对钢结构进行有限元分析的时候，对钢结构进行单元类型的选择也是非常重要的。在ANSYS仿真软件中存在非常多的单元类型，并且在最近几年的发展过程中单元的种类也在不断的增加和完善。我们再利用ANSYS仿真软件进行仿真时要尽可能的选用简单的单元类型来达到我们的目的，这样可以减少很多的计算量。我们在对工程机械的钢结构设计时，要在保证使用功能和安全性能的基础上，尽量的对结构进行优化，这样会降低钢结构的重量，节省钢材的消耗，降低制造工程机械的成本，同时也会减少能源的消耗。所以，可以利用ANSYS仿真软件的一些语言对钢结构的最佳截面形状和尺寸进行优化，并且还能满足工程机械的正常工作，能够满足钢结构的稳定性和可靠性。也可以说，优化目标就是钢框架结构杆件截面的优化。在实现截面优化后即可达到结构材料最省、造价最低和方便加工的优化目标。

4. 结论

住房不断的增加以及不断增加的公路桥梁等工程的建设，在建房和公路桥梁的建设的过程中就会需要使用大量的工程机械进行建设和工作。目前，我国的资源处于比较匮乏的时期，所以我们要优化工程机械的结构，尽量的较少工程机械钢结构的钢材使用量，这样才能减少资源的浪费。我们使用ANSYS仿真软件对各种设计方式的钢结构进行了有限元分析和仿真，得出了最优化的钢结构，这样就较少了钢结构的重量，较少了工程机械的成本，也达到了资源和能源的节约。

5. 参考文献：

[1]束炜，肖亚明，李万祺，陈志荣. 基于ANSYS的OOP技术进行门式刚架结构优化设计[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2004，06：694-697.

[2]贺兴宏，赵丹宁. 基于ANSYS的低多层钢框架结构体系优化设计分析[J]. 中国科技信息，2008，16：61-62.