论文部分内容阅读
摘 要：应用大型有限元分析软件ANSYS Workbench建立平衡吊架的有限元模型，进行了仿真分析；并在此基础上对偏载式平衡梁的基本结构进行了优化设计。
关键词：有限元；优化设计
1、引言
随着计算机计算能力的不断提高，人们把有限元分析的方法和各种数学规划方法相结合，并逐步发展成为一种系统和成熟的方法，使得结构优化的技术得到了更快的发展。ANSYS软件是大型通用有限元分析软件，本文利用ANSYS Workbench软件建立模型，进行网格划分，对吊装用的平衡吊架进行有限元分析，找出应力分布规律，并在此基础上，对其进行了优化设计。
2、有限元与ANSYS Workbench简介
有限元法是在结构分析的矩阵方法的基础上发展起来的，它起源于结构分析理论，经过几十年的发展，它的理论与公式逐步改进和推广，应用越来越广泛。ANSYS Workbench是新—代的CAE分析环境和应用平台。它提供了统一的开发和管理CAE信息的工作环境，提供高级功能的易用性。ANSYS Workbench还提供了这些环境之间相互操作和控制信息传递的流程。。ANSYS Workbench以Windows风格的友好界面，与CAD的直接双向接口功能，新一代的参数化建模工具，和领先的优化技术，代表了CAE的发展方向，将以CAE的易用性提高到—个新的高度。
3、平衡吊架的结构
主梁为H型钢，型号为HN200*100*5.5*8，支撑杆的直径为50mm，管的外径为114mm，壁厚20mm进行有限元分析。结构设计拟采用标准的型钢，常见型钢材料为Q235，其屈服强度为235MPa。结构总质量为：492.77kg。
4、有限元分析
结构两根主梁的受力可以简化为两端简支，受四个集中力，如图1。该梁最大的弯曲应力发生在两个简支处，最大弯矩为64640*0.4＝25856，考虑1.33的安全系数，比较接近采用实体单元solid92。由于结构复杂因此采用全四面体自由划分，得到93390个单元。吊架的下8个吊孔通过索具连接需吊装的装备，4个上吊孔通过索具连接起重机。由于起吊时速度很慢，加速度很小，可以视为匀速上升，可以忽略加速度。我们将索具对吊架的拉力简化为作用在吊孔下半环上的集中力，一边4个吊孔各为27.5，另外一边4个各位32.32。吊架上吊孔与索具的连接简化为整个吊孔孔壁固定。由于梁本身的重量比较大，这里需考虑其自重。对平衡吊架建模，建模时忽略一些次要因素。
根据前面的受力分析，假设各吊孔与索具的连接亦简化为宽为20mm的半环，加载集中力，分析时不考虑倾斜时的状况，忽略加速度，考虑动力过载系数1.1。运行计算后应力图3和位移云图4。
从图中可以看出，最大应力出现在右端上吊点处，为121.39MPa，考虑1.33的安全系数，则许用应力为：235/1.33＝176.70MPa，所以满足要求。最大位移在吊架右端点处，为
0.47375mm。形变较小，不会出现实效问题。
5、结构优化设计
由上面的分析可以看出处主梁之外，其它结构都处于低应力区域，可以进一步优化以降低结构重量。同时优化参数的范围可以向小尺寸区域偏移。选择支撑杆直径DS_R2，管外径DS_R2，壁厚DS_RW三个参数进行优化。其中60 应力值都是安全的。选取时可以降低应力的要求。同前面一样得到三个最优解见图5。
我们选取Candidate A，对选择的结构结构进行有限元校验，优化后结构的受力情况变化不大，完全满足结构强度要求。优化后结构的质量为321.03Kg，降低了34.7％，大大降低了
成本。
6、结论
ANSYS的优化设计功能非常强大，基于ANSYS的结构拓扑优化设计方法，可以避免繁杂的计算和计算机编程，其计算误差小，不但提高了设计效率，而且能达到较高的设计精度，完全能满足工程精度要求。
关键词：有限元；优化设计
1、引言
随着计算机计算能力的不断提高，人们把有限元分析的方法和各种数学规划方法相结合，并逐步发展成为一种系统和成熟的方法，使得结构优化的技术得到了更快的发展。ANSYS软件是大型通用有限元分析软件，本文利用ANSYS Workbench软件建立模型，进行网格划分，对吊装用的平衡吊架进行有限元分析，找出应力分布规律，并在此基础上，对其进行了优化设计。
2、有限元与ANSYS Workbench简介
有限元法是在结构分析的矩阵方法的基础上发展起来的，它起源于结构分析理论，经过几十年的发展，它的理论与公式逐步改进和推广，应用越来越广泛。ANSYS Workbench是新—代的CAE分析环境和应用平台。它提供了统一的开发和管理CAE信息的工作环境，提供高级功能的易用性。ANSYS Workbench还提供了这些环境之间相互操作和控制信息传递的流程。。ANSYS Workbench以Windows风格的友好界面，与CAD的直接双向接口功能，新一代的参数化建模工具，和领先的优化技术，代表了CAE的发展方向，将以CAE的易用性提高到—个新的高度。
3、平衡吊架的结构
主梁为H型钢，型号为HN200*100*5.5*8，支撑杆的直径为50mm，管的外径为114mm，壁厚20mm进行有限元分析。结构设计拟采用标准的型钢，常见型钢材料为Q235，其屈服强度为235MPa。结构总质量为：492.77kg。
4、有限元分析
结构两根主梁的受力可以简化为两端简支，受四个集中力，如图1。该梁最大的弯曲应力发生在两个简支处，最大弯矩为64640*0.4＝25856，考虑1.33的安全系数，比较接近采用实体单元solid92。由于结构复杂因此采用全四面体自由划分，得到93390个单元。吊架的下8个吊孔通过索具连接需吊装的装备，4个上吊孔通过索具连接起重机。由于起吊时速度很慢，加速度很小，可以视为匀速上升，可以忽略加速度。我们将索具对吊架的拉力简化为作用在吊孔下半环上的集中力，一边4个吊孔各为27.5，另外一边4个各位32.32。吊架上吊孔与索具的连接简化为整个吊孔孔壁固定。由于梁本身的重量比较大，这里需考虑其自重。对平衡吊架建模，建模时忽略一些次要因素。
根据前面的受力分析，假设各吊孔与索具的连接亦简化为宽为20mm的半环，加载集中力，分析时不考虑倾斜时的状况，忽略加速度，考虑动力过载系数1.1。运行计算后应力图3和位移云图4。
从图中可以看出，最大应力出现在右端上吊点处，为121.39MPa，考虑1.33的安全系数，则许用应力为：235/1.33＝176.70MPa，所以满足要求。最大位移在吊架右端点处，为
0.47375mm。形变较小，不会出现实效问题。
5、结构优化设计
由上面的分析可以看出处主梁之外，其它结构都处于低应力区域，可以进一步优化以降低结构重量。同时优化参数的范围可以向小尺寸区域偏移。选择支撑杆直径DS_R2，管外径DS_R2，壁厚DS_RW三个参数进行优化。其中60
我们选取Candidate A，对选择的结构结构进行有限元校验，优化后结构的受力情况变化不大，完全满足结构强度要求。优化后结构的质量为321.03Kg，降低了34.7％，大大降低了
成本。
6、结论
ANSYS的优化设计功能非常强大，基于ANSYS的结构拓扑优化设计方法，可以避免繁杂的计算和计算机编程，其计算误差小，不但提高了设计效率，而且能达到较高的设计精度，完全能满足工程精度要求。