基于ANSYS的桁架系统参数化设计与目标优化

裘罗浙男，张文辉*，林森海，蒋黎红，江　洁

(1.丽水学院 工程与设计学院，浙江 丽水 323000；2.浙江斯凯瑞机器人股份有限公司，浙江 丽水 323000)

基于ANSYS的桁架系统参数化设计与目标优化

裘罗浙男1，张文辉1*，林森海2，蒋黎红1，江洁1

(1.丽水学院 工程与设计学院，浙江 丽水 323000；2.浙江斯凯瑞机器人股份有限公司，浙江 丽水 323000)

摘要：桁架机构属于各类机械装置的典型结构，在采样机械臂及机电设备中应用广泛。首先建立典型三杆桁架机构的有限元模型，进而通过对其工况受力分析来定义约束和施加载荷；在满足强度和刚度的情况下，基于ANSYS对桁架机构进行了以材料最省为目标的参数优化，通过迭代优化，使最后重量相比初始设计值节省了70%，且受力情况满足应力要求，为桁架研发提供重要参考。

关键词：桁架机构；有限元；应力分析；参数优化

桁架机构属于机电装置中的典型结构，在机械臂及机电设备中应用广泛。桁架系统的杆件主要承受轴向拉应力，或称弯矩，它是由杆件焊接、铆接或者螺栓连接而成的框架结构，属于格构式梁的一种。桁架臂相对实腹式臂架更加节省材料，且臂架材料强度利用率高，同样的结构强度，桁架式臂架可以降低自身重量，在资源宝贵的今天具有重要意义[1-2]。

桁架系统通过杆件铰接而成，大部分属于静定结构，通常采用结点法或者界面法对杆件的轴向力进行求解，但求解过程繁琐。

ANSYS软件是当前国际上通用的大型有限元分析软件，在化工工业、航空航天、电子能源、土木建筑等行业领域应用广泛。ANSYS功能强大，仿真精度高，目前已成为国际最流行的有限元分析软件[3-4]。

本文针对机械装置中的典型桁架系统的结构优化问题进行研究，以材料最省为目标。首先对典型三杆桁架机构进行了有限元模型建立，对其工况受力进行分析，定义约束并施加载荷，在满足强度和刚度的情况下，基于ANSYS对桁架机构进行了以材料最省为目标的参数优化，通过迭代优化获得最优重量，且受力情况满足应力要求，为桁架研发提供重要参考。

1桁架系统基于ANSYS的有限元建模

当前最为普遍的桁架系统由3根杆件组成，一般工况下，其上部中间点承受纵向载荷Fx=200 000 lb，Fy=200 000 lb(1 lb=0.453 592 37 kg)的力，3根杆的下端均固定约束。

查表得如下设计要求：

(1)桁架最大应力不超过500 psi(1 psi= 6 894.76 Pa)，psi为磅/每平方英尺；

(2)杆件分别定义为A1、A2和A3，横截面分别为A1=1 000 in2,A2=1 000 in2,A3=1 000 in2)；

(3)确定3根杆的跨度B=1 000 in(1英寸=0.025 4 m)，使设计在符合强度要求的条件下杆重量最小化，且各杆面积变化范围在1～1 000 in2之间变化(初始值为1 000 in)，跨度B变化范围在400～2 000 in之间变化(初始变化为1 000 in)。

采用国际通用大型有限元分析软件ANSYS进行研究[5]。主要设计步骤如下：

(1)平面几何图形设计，如图1所示。

图1　桁架几何图形

(2)建立桁架三维模型，如图2所示。

图2　桁架三维建模

(3)定义约束:ANSYS建模命令具体步骤为：Main Menu→Solution→Solution →Define Load >Apply→Structural→Displacement→On Nodes。选择All DOF 约束所有自由度，其他默认，再单击OK按钮，完成约束定义。

(4)载荷施加:ANSYS载荷施加命令为Main Menu→Solution→Define Load→Apply→Structural→Force/Moment→On Node命令，出现拾取菜单，选择节点1，单击OK按钮出现载荷定义对话框，载荷类型为集中力Fx， Fy，数值均为200 000 lb，再单击OK按钮完成载荷的施加。

(5)模型求解:运行主菜单 Main Menu→Solution→Current LS命令，出现Solve Current Load Step对话框，单击/STAT Command 窗口菜单/STAT Command→File→Close 关闭/STAT Command窗口，然后单击Solve Current Load Step菜单中的OK按钮确定，进行求解，求解后获得初始重量为1 091.1 lb (见图3)。

图3　桁架初始重量

2基于ANSYS桁架系统参数优化

为了节省不必要材料，需要对其进行结构优化，遵循参数重要性原则，选取对结构影响明显的参数为设计变量。

1)定义优化设计变量：在minimum value后面的文本中输入400，在maximum value后面的文本中输入2 000，单击apply按钮完成定义，如图4所示。

图4　桁架优化设计变量定义

2)桁架杆件应力在迭代过程中的变化云图如图5所示。

图5　桁架应力迭代优化情形图

3)桁架杆件截面变量在迭代过程中的参数变化情形图如图6所示。

图6　桁架截面参数迭代优化情形图

4)桁架杆件总重量在迭代过程中变化如图7所示。

图7　桁架杆件总重量迭代优化情形图

由图6中 SIG1、SIG2和SIG3对应杆A1、A2和A3的应力曲线可以看出，在第9次迭代趋于稳定，且均为超过极限值500 psi。由图7可以看出A1、A2、A3横截面积在迭代7次后即趋于稳定，且由初始值1 000分别降为660 in2,90 in2和10 in2，出桁架总重量在第9次迭代趋于稳定，由初始值1 091 lb降至300 lb，在满足应力要求的情况下，减少材料达到70%，达到了参数优化效果。

3结论

本文建立了典型三杆桁架机构的有限元模型，分析三杆桁架机构的受力工况，并对其约束和载荷进行定义，在满足强度和刚度的情况下，基于ANSYS对桁架机构进行了以材料最省为目标的参数优化。相比初始设计值，优化后的材料重量节省了70%，且受力满足应力要求，为桁架研发提供重要参考。

[参考文献]

[1]严海纲,黄泊戬,梅雪峰.采煤机摇臂壳体有限元分析[J].煤矿机械，2011,3(10):45-50.

[2]杨宏亮，彭岩.液压缸承受径向载荷的非线性有限元分析[J].机械设计与制造,2008(6):23-26.

[3]高勇.基于ANSYS的筛煤机振动轴模态计算[J].煤矿机械，2014(1): 10-11.

[4]林荣川，郭隐彪，魏莎莎，等.液压缸临界载荷计算和最优设计[J].中国机械工程，2011(9):125-128.

[5]江洁，张文辉，蒋理剑. 煤炭采样机械臂基于ANSYS的多目标优化设计[J].煤矿机械，2016,10(3):45-50.

(责任编辑：张凯兵)

Parametric Design and Target Optimization for Truss System Using ANSYS

Qiuluo Zhe’nan1, Zhang Wenhui1*, Lin Senhai2, Jiang Lihong1,Jiang Jie1

(1.SchoolofEngineeringandDesign，LishuiUniversity，Lishui,Zhejiang323000,China; 2.ZhejiangSikairuiRobotCo.,LTD，Lishui,Zhejiang323000,China)

Abstract：Truss mechanisms belong to the typical structure of various mechanical equipments and are widely used in robotic manipulators and all kinds of engineering equipments. The finite element model of three typical lever truss mechanism is firstly established in this paper, and the forces of the working condition on the girder are analyzed. Then the constraints and applied load are defined to satisfy the intensity and the rigidity. The parameter optimization is constructed to minimize the amount of material for the truss mechanism based on ANSYS. The results show that the final weight saves of 70%, compared with the initial design value, and satisfies the requirement of stress and strain for truss.

Key Words：truss mechanisms; finite element; prestress analysis; parameters optimization

收稿日期：2016-02-17

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(LY14F030005)；浙江省科技厅公益技术资助项目(2015C31160)；浙江省

作者简介：裘罗浙男(1993-)，男，浙江杭州人，丽水学院工程与设计学院学生。

中图分类号：TH122

文献标志码：A

文章编号：2095-4824(2016)03-0081-03

新苗人才资助项目(2015R431001)；浙江省教育厅项目(Y201534043)；丽水市高层次人才资助项目(2015RC04)；

丽水市科技计划项目(2015KCPT03)

张文辉(1980-)，男，河南正阳人，丽水学院工程与设计学院副教授，博士,本文通信作者。