基于ANSYS的堆取料机尾车钢结构拓朴优化分析Word下载.docx

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526-5441

[8]CastroLN,ZubenFJ1Anevolutionaryimmunenetwork

fordataclustering[J].IEEESBRN,2000（11:

84-891

[9]CastroLN,ZubenFJ1Theclonalselectionalgorithm

withengineeringapplication[C]//Proceedingofgeneticandevolutionarycomputationconference.LasVegas:

20001

作　　者:

黄建中

地　　址:

安徽马鞍山市花山区国际华城3村17栋603号邮　　编:

243000收稿日期:

2009-09-21

基于ANSYS的堆取料机尾车钢结构拓朴优化分析

张守云

大连重工・起重集团设计研究院　大连　116013

　　摘　要:

基于有限元分析软件ANSYS,根据堆取料机尾车钢结构承载的形式与特点,对简化的尾车钢结构

进行拓朴优化,得到了尾车钢结构在主体框架确定情况下辅助斜梁的最佳布置形式。

然后利用梁单元对简化的空间尾车钢结构模型进行有限元静力和模态分析计算,对优化前后2种模型的应力、位移、重量及基频进行了比较,从而进一步验证了对尾车钢结构进行拓朴优化的可行性和优化结果的合理性。

关键词:

ANSYS;

堆取料机;

尾车钢结构;

拓朴优化

中图分类号:

TH248　　文献标识码:

A　　文章编号:

1001-0785（201003-0045-03

Abstract:

BasedonfiniteelementanalysissoftwareANSYS,andaccordingtotheformsandcharacteristicsofloadonsteelstructureoftripperofstacker/reclaimer,topologicaloptimizationismadetothesimplifiedsteelstructureoftripper,andoptimumlayoutofauxiliaryinclinedarmisobtained,withthemainbodyframeofsteelstructureoftripperdetermined1Thenitusesbeamunittoanalyzeandcalculatethesimplifiedtrippersteelstructuremodel,comparesthepreandpostopti2mizationmodels’stress,displacement,weightandfundamentalfrequency,andfurtherverifiesthefeasibilityoftopologicaloptimizationandrationalityofoptimizationresultsofsteelstructureoftripper1

Keywords:

stacker/reclaimer;

steelstructureoftritogical　　,上,通过悬臂带式输送机堆料运行,将物料抛向料场实现堆料作业。

因此,尾车作业过程中,承受的主要是其上部输送带上的物料载荷,输送带由托辊支承并由改向滚筒改向,所以,在物料输送过程中,由于物料分布不均以及托辊和滚筒偏心等影响,尾车会受到一定的动载冲击。

因此,在设计尾车钢结构时,不仅要保证其强度要求,同时也应尽可能提高其刚度。

结构优化主要包括尺寸优化、形状优化和拓朴优化。

相对于前2种优化,拓朴优化属于更高层次的非线性优化问题,可以从根本上改变结构的形状布局,实现真正意义上的最优设计。

拓朴优化的主要思想是将寻求结构的最优拓朴问题转化为在给定的设计区域内寻求最优的材料分布问题,最终得到最佳的材料分配方案,这种方案在拓朴优化中表现为“最大刚度”设计,即在满足结构边界条件（载荷和约束的情况下减小结构的变形能,也就相当于提高结构的刚度。

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《起重运输机械》　2010（3

虽然拓朴优化理论的分析研究需要较深的专业知识,但当这种理论日趋成熟并被移植到应用软件中,用其指导工程实践变得切实可行且简单有效。

利用ANSYS进行拓朴优化的过程,不需要定义参数和优化变量,拓朴优化所需的设计变量、状态变量和目标函数都由软件自行定义,用户只需给出结构的材料特性、有限元模型（含优化与非优化区域、载荷与约束条件以及要去除的材料百分比,然后交由软件自动求解计算即可实现对结构的拓朴优化分析。

正是由于拓朴优化的优越性以及操作的可行性,越来越多的工程设计人员开始在结构设计过程中应用拓朴优化分析来指导结构设计。

2　尾车钢结构拓朴优化分析

211　有限元模型的简化

一般来说,尾车钢结构属于对称的结构形式,

其上部主要承受均布的物料载荷,而底部平台一般安放电器室、电缆卷筒等附属设备。

在整个竖直方向上,除了横向连接梁以外,其他结构基本呈对称的2排布置,而且,此2,其他辅助斜梁的最佳布置形式。

因此,可将尾车钢结构简化为如图1所示的平面结构。

其中,中间分割出来的细长面的网格部分为设计主框架,因为其在整个尾车布局中起主要的支撑作用,故拓朴优化过程中,其为非优化区域。

而其他网格部分则为优化区域,随着去除体积百分比的变化,拓朴优化过程中,其结构形式将会相应地发生变化。

为了简便起见,底部平台处施加成均布载荷,由于拓朴优化的结果只与力作用的位置有关,而与力的大小无关,所以施加的载荷一般全为单位力。

底部支承车轮处约束2个方向位移

。

图1　尾车钢结构拓朴优化有限元模型

212　尾车钢结构拓朴优化结果

图2为尾车钢结构拓朴优化结果,由图中可以看出体积去除百分比为95%时的优化结果已经接近于钢架梁的布置形式,这和传统的尾车钢结构设计形式有比较大的出入

图2　尾车钢结构拓朴优化结果

（a体积去除80%　（b体积去除85%（c体积去除90%　（d体积去除95%

根据优化过程中材料分布的趋势,可以得出:

（1由于尾车钢结构的承载形式类似于桥梁结构,所以,,如图中体积去除腿,随着体积去除百分比的增加逐渐消去,说明

其对结构整体刚度的贡献相对来说要低于其他保留的斜梁。

（3前部立腿的上端部分,在优化过程中并未出现传统设计时其两侧斜拉梁式的材料分布趋势,说明这部分对增加结构的整体刚度基本不起作用,其存在只是影响结构局部强度和刚度。

（4前部悬臂梁处由于悬臂梁伸长较长,故在优化过程中,始终有支撑与悬臂梁端部相连,这样才能保证悬臂梁的刚度。

如果按图示体积去除90%的优化结果增加斜向支撑,由于其在承载情况下支撑整体受压,且支撑相对较长,故为了保证受压杆件的稳定性要求,势必会要求增加支撑梁的截面尺寸,这样有些得不偿失,同时由于悬臂梁下部空间需要留给设备其他部件,所以实际设计时（包括后续优化前后比较分析时,并不按优化结果进行。

（5所有保留材料基本上都与底部约束区域发生联系,这说明满足结构变形最小的材料分布趋势是,使材料在满足承载要求的情况下尽可能地和约束区域（刚度相对较大的区域发生联系。

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　《起重运输机械》　2010（3

3　尾车钢结构优化前后分析比较

311　优化前后尾车钢结构空间模型

为了便于比较分析,建模时只考虑了优化前后钢结构中的主要承载梁,而用于增加稳定性的横向加强梁则忽略不计,而且,优化前后都考虑了预留电器房存放空间（优化前位于底部平台前端,而优化后位于底部平台中部。

优化前中间主要承载梁的设计形式为立腿形式,而为了减小胶带梁的中间挠度,主要在立腿的上部两侧增加了斜拉杆。

而优化后的模型主要按上面分析的体积去除95%时结构形式与钢架梁相近的优化结果。

前段悬臂梁处根据实际情况的需要,并未按优化结果进行建模,而是保留了部分原设计模型。

优化前后的计算分析模型,其主要承载梁的截面尺寸、结构施加载荷以及约束等完全一样。

312　优化前后尾车钢结构刚度比较

由图3和图4可以看出:

（1尾部悬臂梁部分（点1、2、3的位移在优化前后基本不变,位移变化明显的是尾车2立腿中间及前部悬臂梁部分。

（258优化前最大位移位（,数值为-611408mm,而优化后由于中部斜梁的支撑作用,中间部分刚度相对变大,最大位移位置稍向后移（点5,数值为-311788mm。

（3前部悬臂梁部分（点10和11位移变化最大,优化前后虽然数值大小相当,但位移方向却截然相反。

主要原因是优化后的模型考虑到空间预留的需要并未完全按照拓朴优化的结果进行建模。

而实际上,优化前后计算分析时并未考虑胶带张力,实际结构承载时,对于优化前的结构来说,胶带张力的影响会使承载梁的不平度进一步加剧,也就是说其影响会使前部悬臂梁的末端进一步上翘;

而对优化后的结构来说,其对承载梁的不平度相对削弱,胶带张力加载所引起的前部悬臂梁的末端上翘会与由重力和物料载荷作用产生的下挠度部分抵消。

（4优化后尾车钢结构的刚度明显优于优化前。

313　优化前后尾车钢结构强度比较

由优化前后尾车钢结构综合应力云图（图略

图3　

尾车上部承载梁各点编号

图4　优化前后各点竖直方向位移曲线

11优化前　21优化后

可以看出:

（1优化前尾车钢结构最大综合应力为2021161MPa,位于前部立腿两端,受力形式为压弯;

（2优化后尾车钢结构最大综合应力为1681755MPa,位于中部斜梁处,受力形式为压弯;

（3,。

量为36398kg,优化后为34269kg,减重约6%;

（2优化前基频为01564Hz,优化后为01702Hz,提高约2415%。

4　结论

利用ANSYS有限元分析软件,通过简化模型,对尾车钢结构进行拓朴优化分析是切实可行的。

通过拓朴优化分析,可以有效地寻找到结构材料的最佳分布形式,从而在减少结构重量的基础上,切实提高结构的强度与刚度（基频,达到最合理地优化产品结构的目的,为企业带来不可估量的经济效益。

参考文献

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北京:

中国水利水电出版社,20061

[2]邵明亮,于国飞,耿华,等1斗轮堆取料机[M].北

京:

化学工业出版社,20071

[3]商广泰,钟文乐,蒋凤昌1基于ANSYS分析的钢梁优

化设计[J]1工程建设与设计,2005（3:

38-401

作者地址:

辽宁省大连市西岗区华春街4号601室邮　　编:

116013

收稿日期:

2009-07-06

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