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[摘 要]应用有限元法对钢结构进行优化分析，能够有效提升钢结构的应力水平，确保钢结构的稳定。本文在利用有限元法对钢结构进行优化分析的基础上，建立了钢结构的三维立体模型。并阐述了其具体的应用情况以及效果评价，以期能为相关人士提供借鉴和参考。
[关键词]钢结构；有限元法；ANSYS软件
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）40-0081-01
前言
随着社会经济的不断发展和生产力的进一步提高，快速装车站被广泛应用到煤矿及公路运输中，呈现了迅猛的发展趋势。实现快速装车站钢结构的优化，是保证快速定量装车的关键，能够有效提升快速装车站的安全性，同时还能增加经济效益。因此，优化快速装车站钢结构，具有十分重要的现实意义。
1 钢结构优化的有限元法
有限元法是一种高效能、常用的数值计算方法，通常被应用于科学计算领域，解答一些计算较为复杂的难题。近20年，人们将有限元法与最优化理论相结合，建立了新型的结构设计方法，被广泛应用于结构设计领域，尤其是在工程建设领域中的应用最为广泛。设计师将有限元法与数学计算方法中的最优化设计方法相结合，设计出ANSYS软件，通过将设计过程中遇到的难题转化为ANSYS模型的方式，求得正解，有效提升了结构优化设计的效率，避免了因计算过程复杂导致的时间浪费。
利用ANSYS软件进行结构优化设计，其基本要素包括设计变量、目标函数、状态变量、约束条件、分析文件、迭代、循环等。利用ANSYS软件，能够实现对结构的分析、通过对结构分析的结果进行评估，找到结构存在问题的原因，从而进行结构的优化和修正，并且ANSYS软件可以循环应用于结构优化设计的各个环节，确保结构设计能够实现实时动态的优化。
2 快速定量装车站的钢结构优化方法
由于快速装车站的钢结构具有结构复杂，工程负荷较大的特点，因此利用传统的数值计算方法对快速装车站的钢结构进行分析，计算的工作量巨大。同时，由于有限元计算方法增加了快速装车站钢结构的工作负荷，因此可以运用此种方法分析钢结构的强度和稳定性是否达到较大工作负荷的要求，如果未达到要求，则应通过分析，找出钢结构中存在安全隐患的部位，并不断增加其强度和刚度。此外，对钢结构中应力和变形较大的部位，也应通过增重的方式，提高其应力[1]。
2.1 建立钢结构的三维立体模型
工字钢型材和板壳结构是定量快速装车站钢结构的主要组成部分，利用有限元法建立优化设计模型，是优化设计定量快速装车站钢结构的基础。在建立优化设计模型的过程中，要注意在保持定量快速装车站钢结构基本特征的基础上，尽量简化模型的设计结构，从而降低计算任务量，提高结构优化设计的效率。利用ANSYS软件建立钢结构的三维立体模型，要尽量简化定量快速装车站实际的钢结构，必要的情况下应忽略钢结构大小圆角的数量，从而减少节点的个数，提高有限元法计算的精度[2]。
2.2 合理划分单元网格
由于钢结构较为复杂，单纯利用三维立体模型不能实现对钢结构的优化设计分析，因此必须通过合理划分单元网格，实现三维立体模型的简化。定量快速装车站主要由工字钢型材、立柱和平面梁构成，平面来梁主要通过多个工字钢型材焊接而成，可以采用二维板和三维体混合划分单元网格的方式，但通过这种方式对钢结构进行划分，计算量巨大。因此，可以利用ANSYS软件中的四面体实体单元进行划分，同时增加节点位移方向的3个自由度，从而减少力矩作用对模型的影响，更为准确的表述钢结构的应力和变形情况。同时，由于钢结构的体积较大，如果通过ANSYS对钢结构进行单元网格划分，则会出现单元数量巨大的现象，不利于计算和分析。因此需要人工对钢结构单元网格进行合理划分，最后确定钢结构的节点数为216万个，单元总数为36万个。
2.3 优化结果及其分析
在建立有限元优化模型后，对模型施加一定的工作负荷和边界条件、并确定设计变量、状态变量和目标函数，进行求解，即可获得钢结构模型的优化设计结果。通过结果可以看出，当钢结构的位移距离达到最大时，钢结构的应力还未突破最大值，可见，在钢结构的优化设计过程中，位移约束条件占据主导地位，而应力约束条件处于次要地位。在经过20次迭代之后，钢结构的总重量达到了最终优化设计结果的98%，极大的满足了钢结构的應力和变形条件，符合优化设计的要求。同时，通过优化结果可以设计计算出最佳的钢结构设计方案。例如，可以通过优化钢结构的立柱、平面梁和斜撑的方式，提高钢结构的承载力和侧面刚度，使其具有稳定性。此外，通过对装车站钢结构的振动模型进行分析和计算，可以在对钢结构进行优化设计的过程中，将装车站的设备与塔架构进行分离，防止因频率相近导致的钢结构寿命缩短。
2.4 应用情况及其效果
定量快速装车站钢结构的优化设计目前已经被广泛应用于包括公路运输和铁路运输在内的多个装车站项目，实践表明，运用有限元法对钢结构进行优化设计，钢结构的所有部位均符合优化设计的标准。定量快速装车站钢结构的优化设计，极大地提升了装车站的安全性和稳定性，有效提高了快速装车站的运行效率，表明了我国结构优化设计技术日臻成熟，向发达国家又近了一步。
3 结论
通过以上研究发现，在优化设计装车站钢结构的过程中，采用有限元法和ANSYS软件对钢结构进行优化分析，能够有效减少计算的工作量。在此基础上，采用建立三维立体模型的方法，对钢结构的应力和变形状况进行分析，为装车站钢结构的优化设计提供了理论保证。因此，在优化设计装车站钢结构的过程中，可以采用上述方法。
参考文献
[1] 姚树，悦飞.快速定量装车站装卸料设备结构优化设计与分析[J].煤矿机械，2017，38（01）：90-92.
[2] 孙国顺.快速装车站液压闸门仿真分析与优化设计[J].煤矿机械，2015，36（07）：95-96.
作者简介
王绮（1989-）女，山东泰安人，助理工程师，主要研究方向为定量装车站。
[关键词]钢结构；有限元法；ANSYS软件
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）40-0081-01
前言
随着社会经济的不断发展和生产力的进一步提高，快速装车站被广泛应用到煤矿及公路运输中，呈现了迅猛的发展趋势。实现快速装车站钢结构的优化，是保证快速定量装车的关键，能够有效提升快速装车站的安全性，同时还能增加经济效益。因此，优化快速装车站钢结构，具有十分重要的现实意义。
1 钢结构优化的有限元法
有限元法是一种高效能、常用的数值计算方法，通常被应用于科学计算领域，解答一些计算较为复杂的难题。近20年，人们将有限元法与最优化理论相结合，建立了新型的结构设计方法，被广泛应用于结构设计领域，尤其是在工程建设领域中的应用最为广泛。设计师将有限元法与数学计算方法中的最优化设计方法相结合，设计出ANSYS软件，通过将设计过程中遇到的难题转化为ANSYS模型的方式，求得正解，有效提升了结构优化设计的效率，避免了因计算过程复杂导致的时间浪费。
利用ANSYS软件进行结构优化设计，其基本要素包括设计变量、目标函数、状态变量、约束条件、分析文件、迭代、循环等。利用ANSYS软件，能够实现对结构的分析、通过对结构分析的结果进行评估，找到结构存在问题的原因，从而进行结构的优化和修正，并且ANSYS软件可以循环应用于结构优化设计的各个环节，确保结构设计能够实现实时动态的优化。
2 快速定量装车站的钢结构优化方法
由于快速装车站的钢结构具有结构复杂，工程负荷较大的特点，因此利用传统的数值计算方法对快速装车站的钢结构进行分析，计算的工作量巨大。同时，由于有限元计算方法增加了快速装车站钢结构的工作负荷，因此可以运用此种方法分析钢结构的强度和稳定性是否达到较大工作负荷的要求，如果未达到要求，则应通过分析，找出钢结构中存在安全隐患的部位，并不断增加其强度和刚度。此外，对钢结构中应力和变形较大的部位，也应通过增重的方式，提高其应力[1]。
2.1 建立钢结构的三维立体模型
工字钢型材和板壳结构是定量快速装车站钢结构的主要组成部分，利用有限元法建立优化设计模型，是优化设计定量快速装车站钢结构的基础。在建立优化设计模型的过程中，要注意在保持定量快速装车站钢结构基本特征的基础上，尽量简化模型的设计结构，从而降低计算任务量，提高结构优化设计的效率。利用ANSYS软件建立钢结构的三维立体模型，要尽量简化定量快速装车站实际的钢结构，必要的情况下应忽略钢结构大小圆角的数量，从而减少节点的个数，提高有限元法计算的精度[2]。
2.2 合理划分单元网格
由于钢结构较为复杂，单纯利用三维立体模型不能实现对钢结构的优化设计分析，因此必须通过合理划分单元网格，实现三维立体模型的简化。定量快速装车站主要由工字钢型材、立柱和平面梁构成，平面来梁主要通过多个工字钢型材焊接而成，可以采用二维板和三维体混合划分单元网格的方式，但通过这种方式对钢结构进行划分，计算量巨大。因此，可以利用ANSYS软件中的四面体实体单元进行划分，同时增加节点位移方向的3个自由度，从而减少力矩作用对模型的影响，更为准确的表述钢结构的应力和变形情况。同时，由于钢结构的体积较大，如果通过ANSYS对钢结构进行单元网格划分，则会出现单元数量巨大的现象，不利于计算和分析。因此需要人工对钢结构单元网格进行合理划分，最后确定钢结构的节点数为216万个，单元总数为36万个。
2.3 优化结果及其分析
在建立有限元优化模型后，对模型施加一定的工作负荷和边界条件、并确定设计变量、状态变量和目标函数，进行求解，即可获得钢结构模型的优化设计结果。通过结果可以看出，当钢结构的位移距离达到最大时，钢结构的应力还未突破最大值，可见，在钢结构的优化设计过程中，位移约束条件占据主导地位，而应力约束条件处于次要地位。在经过20次迭代之后，钢结构的总重量达到了最终优化设计结果的98%，极大的满足了钢结构的應力和变形条件，符合优化设计的要求。同时，通过优化结果可以设计计算出最佳的钢结构设计方案。例如，可以通过优化钢结构的立柱、平面梁和斜撑的方式，提高钢结构的承载力和侧面刚度，使其具有稳定性。此外，通过对装车站钢结构的振动模型进行分析和计算，可以在对钢结构进行优化设计的过程中，将装车站的设备与塔架构进行分离，防止因频率相近导致的钢结构寿命缩短。
2.4 应用情况及其效果
定量快速装车站钢结构的优化设计目前已经被广泛应用于包括公路运输和铁路运输在内的多个装车站项目，实践表明，运用有限元法对钢结构进行优化设计，钢结构的所有部位均符合优化设计的标准。定量快速装车站钢结构的优化设计，极大地提升了装车站的安全性和稳定性，有效提高了快速装车站的运行效率，表明了我国结构优化设计技术日臻成熟，向发达国家又近了一步。
3 结论
通过以上研究发现，在优化设计装车站钢结构的过程中，采用有限元法和ANSYS软件对钢结构进行优化分析，能够有效减少计算的工作量。在此基础上，采用建立三维立体模型的方法，对钢结构的应力和变形状况进行分析，为装车站钢结构的优化设计提供了理论保证。因此，在优化设计装车站钢结构的过程中，可以采用上述方法。
参考文献
[1] 姚树，悦飞.快速定量装车站装卸料设备结构优化设计与分析[J].煤矿机械，2017，38（01）：90-92.
[2] 孙国顺.快速装车站液压闸门仿真分析与优化设计[J].煤矿机械，2015，36（07）：95-96.
作者简介
王绮（1989-）女，山东泰安人，助理工程师，主要研究方向为定量装车站。