基于ANSYS的桥式起重机主梁优化设计

赵俊佳 朱洪前

摘要：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（Goal Driven Optimization），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。

关键词：桥式起重机；ANSYS；主梁；优化设计

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[ ]。

1.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，如图1.1所示：

图1.1桥架的网格模型

Fig1.1 Bridge grid model

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：

图1.2 应力云图图1.3 位移云图

Fig1.2 Equivalent stress chart Fig1.3 Total deformation chart

Q235的屈服极限为，安全系数，因此主梁的许用应力：

主梁的静挠度为：