（广东省特种设备检测研究院珠海检测院，珠海 519001）
摘要:以塔式起重机臂架结构为研究对象，借助ANSYS Workbench进行融模型创建、有限元求解、优化设计于一体的工程分析与应用，并以TC5613塔机臂架为实例进行阐述说明，其优化效果良好，工程应用性强，可为同类产品的设计、分析提供有价值的参考。
关键词：塔机臂架；结构优化；ANSYS Workbench
1 引言
塔机臂架结构属于典型的格构式结构，由多种型钢拼接而成，塔臂作为塔机重要的承载部件，其优化设计可以提升整机设计水平，具有较为明显的经济效益，符合当前塔机设计的发展潮流。目前多采用ANSYS经典模块进行建模、分析或是在三维软件如Pro/E，UG，Solidworks创建模型导入ANSYS平台上进行分析；而ANSYS经典模块建模难度大、界面不友好，采用文件导入方式进行分析会带来数据文件的兼容性问题，具有一定的限制性，比如:当前除了UG的线体模型可以被识别外，ANSYS无法识别其他三维软件的线体模型[1]。鉴于此，采用ANSYS Workbench进行建模、求解与优化的一体化工程分析与应用，探索一种简单易行的新型工程优化方法，并为其它同类产品的优化分析提供有价值的参考。
2 臂架结构的建模
以某企业生产的TC5613双吊点水平臂架结构为研究对象进行建模分析，其基本参数如下：臂架工作幅度为56m，截面宽度为1.235m，截面高度为1.188m；臂架材料选用Q235，密度=7800kg/m3，=235MPa。=175.37MPa，[SL]=0.6494m,工作风压取250Pa，风载荷以集中力的形式作用在单元节点上，回转角速度，角加速度α=0.01r/s2，在臂架56m位置施加1.3t的吊重。
使用Workbench模块对臂架结构进行建模，外拉杆CM一端与臂架铰接于点M，一端与塔帽铰接与点C；内拉杆CN一端与臂架铰接于点N，一端与塔帽铰接于点C，故采用杆单元link180创建两个斜拉杆；采用系统默认的beam188单元构建塔臂的各个杆件，塔臂与塔帽铰接于点A、B，故限制A、B两点的X、Y、Z平动自由度及X、Y转动自由度。如图1所示。.png)
图1 臂架结构约束示意图
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图2 塔机臂架有限元模型
该模型包含2269个节点，1636个单元，塔臂模型如图2所示。
3 有限元求解及后处理查看
ANSYS Workbench与ANSYS经典模块共用同一有限元求解内核，在有限元计算完毕后，对感兴趣的后处理结果项进行查看：臂架重量5146Kg，臂架结构最大等效应力169.32MPa，臂架端部最大位移0.6652m。至此ANSYS Workbench平台下的塔机臂架建模、有限元分析及后处理结果查看为后续的优化分析奠定了基础。
4 臂架结构的优化分析
研究TC5613臂架结构的尺寸优化问题，以臂架重量最小为优化目标，对臂架强度、刚度进行约束，选取臂架截面各型钢尺寸为设计变量，从而构建臂架结构优化模型，以实现更合理的材料分配、更充分的材料应用。
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图3 臂架结构优化参数示意图
此处以臂架下弦杆尺寸（L、Th）、上弦杆尺寸（D、T）、斜腹杆尺寸（d、t）为设计变量，如图3所示，各设计变量的初始值、取值范围如表1所示。
表1 各设计变量信息列表
约束条件[2]:
强度: .png)
式中：N——臂架承受的轴向力，单位为N；
Aj——臂架净截面面积，单位为m2；
Mx、My——臂架计算截面对X、Y轴的基本弯矩，单位为Nm；
Wjx、Wjy——臂架净截面对X、Y轴的抗弯截面系数，单位为m3；
NEx、NEy——臂架的名义欧拉临界力，单位为N；
——臂架材料许用应力，单位为MPa。臂架材料取Q235，为180Mpa。
刚度:
(2)
式中：——臂架端部总挠度，单位为m;
——臂架的许用静位移，单位为m。
优化目标:
(3)
式中：：臂架重量，单位取Kg；
：各杆件材料密度，此处均取7800；
：各杆件体积，单位取；
：各杆件截面积，单位取；
：各杆件长度，单位取；
：臂架单元总数。
采用ANSYS Workbench的Screening优化算法进行优化，最终的优化结果如表2所示。
表2 优化结果列表
对上述杆件尺寸进行圆整，得到：下弦杆外尺寸0.09m，对应壁厚为0.007m，上弦杆尺寸为0.087m，对应壁厚为0.008m，腹杆尺寸为0.046m，对应壁厚为0.002m；臂架强度为177.01Mpa，刚度为0.6968m，臂架重量为4681.6Kg，臂架重量减轻了9.02%，同时可以看出臂架的强度、刚度均有不同程度的增加，表明臂架材料力学性能得到了充分的应用。
可以得到如图4所示的各设计变量相对于臂架质量的灵敏度条形图，其中臂架上弦杆壁厚对于臂架重量的影响最大；当设计变量数目众多时，也可以利用灵敏度条形图分析各设计变量的影响程度，从中筛选出较为主要的影响因素，简化优化模型。
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图4 设计变量敏感度条形图
5 结语
建立基于ANSYS Workbench的塔机臂架模型，对其进行加载、有限元分析及优化研究，得到轻量化的臂架结构，经济效益明显；同时这种在ANSYS Workbench平台上集建模、求解、优化于一体的分析方法简单易用，可为同类结构分析提供有价值的参考。
参考文献
[1] 浦广义. ANSYS Workbench基础教程与实例详解（第二版）[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2013.
[2] 徐格宁. 机械装备金属结构设计[M].北京:机械工业出版社, 2009.
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[5] 王忠, 许志沛, 王璋, 等. 动臂型塔式起重机的平衡臂结构优化研究[J]. 机械设计与制造, 2012, (9).
[6] R.Mijailović, G.Kastratović. Cross-section optimization of tower crane lattice boom[J]. Meccanica, 2009, 44: 599-611.
论文作者:潘乐臣
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/7
标签：截面论文; 结构论文; 单位论文; 变量论文; 建模论文; 模型论文; 所示论文; 《基层建设》2016年15期论文;