TT桥式起重机主梁的有限元分析及优化设计黄荣星.docx

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1、硕士学位论文 20T/5T桥式起重机主梁的有限元 分析及优化设计 黄荣星 指 导 老 师 王虎奇 教授 专业名称 机械设计及理论 学 科 门 类 工学 _ 论文提交日期 2013年 4月 28日 密 级公开 分类号， UDC _ 学校代码 10594 硕士学位论文 题 目 20T/5T桥式起重机主梁的有限元分析及优化设计 英文题目 Finite Element Analysis and OptimizationDesign of 20T/5T Bridge Crane Girder 姓 名 黄荣星 专业名称 机械设计及理论 学科门类 工学 指导老师 王虎奇教授 论文提交日期 2013.4.28

2、 论文答辩日期 2013.5.28 答辩委员会主席 高中庸教授 论文评阅人 欧笛声 教授 温芳副教授 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立完成所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： _ 日期 . 关于论文使用授权的说明 本人完全了解广西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， g卩：学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于少量

3、复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论 文。 保密的论文在解密后应遵守此规定。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 摘要 桥式起重机作为现代化工业生产和起重运输行业的重要工具和设备之一，在室 内外工厂企业、铁路交通以及运输物流等部门场所得到了广泛的运用。然而国内外 对起重机的设计大部分都停留在传统的经验性设计上，很少有设计者对整个起重机 桥架结构进行整体分析。本文的研究对象为某机械厂生产的 20T/5T桥式起重机，课 题的研究内容包括对桥式起重机桥架整体结构进行有限元分析、结构改进以及优化 设计，

4、在强度和刚度满足用户使用要求的前提下，降低产品的生产成本。 本文首先建立桥式起重机主梁优化设计的数学模型，根据数学模型确立主梁需 要优化的尺寸，并作为设计变量。结合 APDL参数化设计语言建立起重机桥架的有 限元模型，正确的施加约束和载荷。对起重机工作中常见的四种工况组合进行有限 元分析，求解获得各工况下主梁的应力和应变分布情况。对比各工况下的较大应力 及分布位置，通过表格直观的选出主梁最危险工况，并根据危险工况下主梁的应力 集中现象对主梁结构进行改进。对改进后的主梁进行结构分析，得到了主梁的最大 应力由原先的 248.805Mpa减小到了 176.214Mpa， 比原来下降了 28.6%。由

5、此可见主 梁端部的应力集中现象得到了极大的改善。为以后主梁的整体尺寸优化提供了较大 的应力储备。 基于改进后的结构对主梁进 行优化设计，在满足强度和刚度需求的前提下，对 主梁进行以减轻重量为目标的优化设计。本文首先采用 ANSYS自带的优化器对主梁 进行优化设计，经过 21次迭代计算，得到了最优方案，并对最优方案进行圆整再次 分析。和初始方案对比，主梁的总质量减轻了约 18%。 本文还采用了结构优化导重法对主梁进行优化设计，以 ANSYS作为分析器， SOGA软件作为优化器，仅经过 4次迭代计算就得到了最优方案。和初始方案对比， 主梁质量减轻了约 21.5%。由此可见，相比采用 ANSYS进行

6、优化，利用导重法进行 优化设计的收敛速度更快，效果 更为显著，充分验证了导重法的优越性。 本文的研究减轻了起重机主梁的重量，减少了生产过程中材料的浪费，同时满 足了企业和用户的需求，为今后同类产品的开发和研究提供了良好的参考依据，具 有重要的理论和实际意义。 关键词：桥式起重机； ANSYS;有限元法；优化设计；导重法 I Abstract As one of the most important tools and equipments in modern industrial production and lifting transportation industry, bridge cr

7、ane has been widely used in indoor and outdoor factories and enterprises, railway transportation and logistics departments. However most of the crane design still stay in empirical design, there are few designers make overall analysis of the whole bridge structure. The articled research object is a

8、20T/5T bridge crane produced by a machine factory. The research content includes finite element analysis, structure improvement and optimization of the girder, reduce the cost of products on premise of meeting requirements of users on strength and stiffness. At first, this article established mathem

9、atical optimal model of the girder, chose sizes needed to be optimized of girder according to mathematical model, and took it as design variables. Finite element model of crane bridge was built by parametric design language “APDL” ， and applied constraints and loads correctly. Made finite element an

10、alysis for four kinds of typical conditions, displacement and stress distribution of girder in every condition is calculated. Compared large stress and its location of every condition, selected the most dangerous condition through a form intuitively, and developed the girder structure base on stress

11、 concentration phenomenon. Made a structure analysis for the new girder, the maximum stress was decreased from 248.8Mpa to 176.2Mpa, decreased by 28.6% than before. Thus stress concentration was reduced, and the result provided good stress reserve for future optimal design. Made optimization for gir

12、der based on the improved structure, reduced the weight of girder in the premise of meeting the requirement of strength and stiffness. At first, the article use the optimizer of ANSYS to optimize the structure of girder, after 21 times of iteration, obtained the best project, and the best project wa

13、s rounded and analyzed again. Contrast with the initial scheme, the weight of girder was reduced by 18%. The article also use the guide-weight method to optimize the structure of girder, with ANSYS as the aKey words: ANSYS; finite element method; optimization design; guide-weight method; bridge cran

14、e; 目 录 W . I Abstract . II n雜 . 1 1.1课题研究的目的和意义 . 1 1.2起重机国内外研究现状 . 1 1.3有限元法的研究现状 . 2 1.4优化设计的研究现状 . 3 1.5主要研究内容与方法 . 4 1. 6本章小结 . 5 第二章桥式起重机设计概述 . 6 2. 1桥式起重机的基本工作原理 . 6 2. 2桥式起重机各项主要参数 . 7 2. 3主梁载荷计算 . 7 2. 3.1载荷的种类 . 7 2. 3. 2载荷的系数 . 8 2. 3. 3载荷组合的选取 . 9 2. 3. 4小车轮压的计算 . 10 2. 4本章小结 . 14 第三章桥式起重

15、机主梁参数化模型的建立 . 15 3. 1ANSYS软件介绍 . 15 3. 2主梁优化设计数学模型的建立 . 16 3. 3主梁参数化模型的建立 . 18 3. 3.1桥架模型的简化 . 18 3. 3. 2材料属性的定义 . 19 3. 3. 3设计变量的选取 . 19 3. 3. 4几何模型的建立 . 20 3. 4单元类型的选择 . 20 3. 4. 1壳单元 . 20 3. 4. 2 分网单元 MESH200 . 21 3. 4. 3接触对单元 . 22 3. 5网格的划分 . 23 3. 6本章小结 . 24 第四章桥式起重机主梁有限元分析及结构改进 . 26 4. 1起重机桥架结

16、构有限元分析概述 . 26 4. 1. 1有限兀法基本概念和原理 . 26 4. 1.2有限元分析的基本步骤 . 26 4. 2起重机桥架结构工况确定 . 27 4. 3桥架的加载及求解 . 28 4. 3.1约束的施加 . 28 4. 3. 2小车轮压的施加 . 28 4. 3. 3自重载荷的施加 . 29 in 4. 3. 4水平惯性载荷的施加 . 29 4. 4各工况分析结果对比及校核 . 29 4. 4. 1工况 1 小车位于跨中满载起升 . 29 4. 4. 2工况 2 常态重力工况 . 32 4. 4. 3工况 3 小车位于主梁端部满载起升 . 33 2. 4. 4工况 4一一小车

17、满载运行到主梁跨中 . 35 2. 4. 5各工况大应力、变形对比 . 36 4. 5提出结构改进措施 . 36 4. 6本章小结 . 38 第五章桥式起重机主梁的结构优化设计 . 39 5. 1优化设计概述 . 39 3. 1. 1结构优化设计简介 . 39 3. 1.2优化设计的数学模型 . 39 2. 1. 3优化设计方法介绍 . 40 2. 2基于 ANSYS对主梁进行优化设计 . 41 2. 3主梁优化结果 . 44 2. 4圆整分析最优序列 . 48 2. 5本章小结 . 49 第六章利用导重法进行主梁结构优化 . 50 3. 1导重法介绍及其原理 . 50 3. 2导重法和 AN

18、SYS相结合对主梁进行优化 . 53 3. 2. 1结构优化设计对偶提法 . 54 3. 2. 2基于导重法的优化设计过程 . 55 3. 3优化结果分析和对比 . 57 4. 4本章小结 . 58 第七章结论与展望 . 59 5. 1结论 . 59 4. 2展望 . 60 #考： $：献 . 62 发表论文和参加科研情况说明 . 64 I i射 . 65 IV 第一章绪论 1.1课题研究的目的和意义 本文主要研究的内容是桥式起重机桥架结构的分析及主梁结构的优化设计，研 究课题来源于于某企业的合作科研项目。 起重机被人们誉为 “ 巨人手臂 ” 、 “ 画在天空中的弧 ” 、 “ 力与美的象征

19、” ， 并被广泛应用于国民经济各个部门的物质生产和装卸搬运。起重机的设计与制造从 另一方面也反映了一个国家的工业现代化水平。 伴随我国工业的高速发展，桥式起重机的发展也逐步趋向于大型化和高效化， 这对桥式起重机的静态和动态性能提出了更高的要求。桥式起重机设计一般以静强 度为主要设计准则，难以考虑复杂结构的受力情况。与传统的设计方法相比，有限 元法具有更高的精度，并且可以针对复杂的结构进行受力分析。利用 ANSYS软件， 建立起重机主梁的有限元模型，进入求解器进行求解，使对整个桥式起重机桥架结 构的受力分析成为可能。 针对目前我国桥式起重机金属结构重量大、结构尺寸大、材料浪费等各种问题， 在有限

20、元理论的基础上，可对其主梁结构进行优化设计，在满足功能、强度及刚度 的前提下，进一步减轻主梁的重量，减少材料的浪费，降低制造的成本。 1.2起重机国内外研究现状 起重机源于西欧后经原苏 联传入我国，从整个发展过程来看，国内的起重机虽 然种类很多，但是大部分都是模仿国外的样机测绘而成，因此在设计过程中存在着 “ 复制有余创新不足 ” 的现象 1。这与当前的发展形势是不适应的，与国家科技工作 的指导方针是相违背的，因此有必要加强起重机的自主研发和创新工作。 截至目前，我国的各类型起重机设计正在逐步从过去的仿制过度到自行研发设 计制造的阶段。有些机种和产品，无论从结构的形式，还是性能指标上均有了较高

21、 的提升。国内厂家也自主研制出了起重机的新产品，例如 1973年西南交通大学与天 津铁路分局共同研发了单 主梁 C形龙门起重机； 1975年共同研发了 0形双梁龙门起 重机，由于他们具有腿下净空间大、司机视野好、货物过腿容易、外形美观等有优 点，深受广大用户欢迎，并获得快速推广。 桥式起重机的工作特点是可以使挂在吊钩上的重物能够在空间中实现垂直升降 和水平运移。桥式起重机的运行机构包括：起升机构，大、小车运行机构。依靠这 些机构的动作配合，可使重物在一定的立方形空间内实现起升和搬运动作。 桥式起重机的主梁是起重机运行过程中的主要受力元件，在起升和搬运物品的 过程中应力集中、疲劳损伤往往首先发生

22、在主梁结构上。因此在对桥式起重机进行 主梁疲劳载荷的检测和结构无损探伤应着重在主梁的应力集中部位。 起重机的传统设计方法为了保证起重机的运作安全可靠，通常取了较大的安全 系数，因此导致了材料的大量浪费。而有限兀分析方法 (finite element analysis) 是良好的结构分析方法之一，利用有限元法可以对几乎任意复杂工程进行结构分析 并获取各种机械性能的信息，对各种工程设计进行技术分析及评判。相对于传统的 材料力学、理论力学等计算方法，有限元法能够获得更为精确的结 果，同时能够实 现对设计方案的优化设计。 1.3有限元法的研究现状 20世纪 40年代，由于航天航空工业的快速发展，对飞

23、机的结构提出了越来越高 的要求，既要重量轻，而且要求强度高、刚度高，人们不得不进行更加精确的设计 计算 2，在这样的背景下，逐步产生了矩阵力学分析方法。有限元法正是在结构分析 的矩阵力学方法的基础上发展起来的。 1955-1958年，阿基里斯 (J.H.Argyris)等人对 复杂杆系结构进行了分析，从而进一步发展了结构分析的矩阵方法，在此基础上， 推导出在平面应力状态下矩形板格的单元刚度矩阵 3。 1956年特纳 (M.J.Turner)和克 拉夫 (R.W.Clough)等人将刚架位移法的思想推广应用在弹性平面体的问题上，他们将 平面连续体划分成离散的三角形单元和矩形单元，使连续体转化成离

24、散体 4。 1960 年，克拉夫 (R.W.Clough)首次提出了 “ 有限元法 ” 这一名词 5。 1960-1970年间，有 限元法得到了迅速发展， R.J.Mel sh等人应用势能原理建立了有限元位移模型 6;Pian 应用余能原理建立了杂交有限元模型 7; R.EJones， Y.Yamamoto等人应用修正的 势 能原理建立了混合有限元模型 iHemnann应用汉林格一赖斯纳原理建立了薄板弯 曲的混合型有限模型 1 ; Zienkiewicz， 张佑启等人做了进一步发展与应用同时发表 了关于平面应力问题的论文 1112。 直到 70年代初，有限元法在美国波音公司诞生，有限元法基于连

25、续介质力学的 的，将物体视为由有限个边界连续的单元所组成，通过本构方程、平衡方程和变形 协调关系，建立起单元的力学方程组 13。有限元法适用于各种复杂的结构力学分析 问题，物理概念及求解方法合理，且计算结果准确，是力学计算方法一次伟大的变 革。 到了 20世纪末，计算机技术获得广泛普及，且运算速度也在不断提高，利用有 限元分析技术进行工程结构的计算和分析才逐步得到了广泛的应用，目前有限元法 已经成为处理各种复杂结构问题的有效途径和方式。如今，有限元分析技术已经被 广泛运行到机械设计、土木建筑、国防军工、船舶、石化、航空航天、铁道、能源、 汽车等各个工业领域，在其中一些领域，有限元分析方法甚至成

26、为了其必不可少的 设计计算工具，由此可见其重要的地位。 2 从 21世纪初开始，各种类型的 CAE分析软件 14相继推出，通过对其商业化的 飞速发展，有限元分析软件无论从功能多样化、计算性能、用户界面的体验和前、 后处理能力上，都有了较为全面的改进和扩充。目前种类繁多的 CAE分析软件已经 基本能够满足用户的各方面需求，帮助研究人员较为方便的解决各种各样的工程实 际难题，可以说有限元及相关软件的发展大大促进了科学技术和实际生产的发展。 1.4优化设计的研究现状 早在二战时期优化设计理论便开始运用，但是直到美国的 R.L.福克斯 等人于 1967年发表了第一篇关于机构的最优化设计论文以后，优化设

27、计理论才逐渐开始得 到了广泛的应用和发展。 20世纪 60年代， L.A.Scmit首先将有限元法与数学规划向 结合用来处理多种载荷情况下弹性结构的最小重量问题 15，并形成了现代结构优化 的基本思想。 1968年由 Prage16nVenkayya17等人提出最优准则法，它最大的优点 体现在迭代次数与设计变量的数目无关且效率高，与数学规划法相比，最优准则法 迭代次数少、效率更高。 20世纪 70年代，出现了一种优化数学理论将数学规划法和 最优准 则法相结合，以 Fleury和 Schmit提出的近似概念为代表 18。机械优化设计 理论在最近几十年得到了快速的发展，人们最初并不太认可所谓的优化

28、设计理论， 因为早期的设计者都习惯采用传统的设计方法及经验性设计，这样就只能依照过往 的经验和初始的判断来拟定设计方案，之后再对该方案进行相关的分析计算和调试。 这样的做法有两个较大的劣势：一、设计精度不高，有一定的盲目性，如果想通过 这种方法获得最佳方案，需要经过好几代人的不断研究和改进，只有这样做才能使 某类产品获得较为满意的效果；二、设计研发时间较长，由于仅 凭经验对一种产品 进行设计调试，所以需要通过反复的实验验证并进行改进，因此导致设计周期漫长。 为了提高设计的效率和质量，科研人员逐步着眼于优化设计理论上进行尝试。在 20 世纪七十年代，优化设计开始在部分高等院校、研究院及少数大型企

29、业中得到推广， 后来由于计算机的普遍使用，优化设计技术广泛的应用于各行各业，它极大地缩短 了产品设计周期、提高了产品的质量并降低了设计和生产成本，深受各企业的欢迎。 透过优化设计的方法来改进传统设计方法已成为各企业院校竞相学习和推广并能够 带来重大变革的发展趋势，其已经开始在工业设 计领域中开拓出新的道路。 现今，优化设计技术被广泛运用到了各生产和科研领域，其中包括交通运 输、化学技术、生产控制、建筑工程、机械设计、经济管理和经济规划等领域， 其获得的重大经济效益和社会效益是有目共睹的。而机械优化设计是指最优化 技术在机械工程问题当中的应用和研究，它的基本思路是依据机械设计的相关 理论、方法以

30、及一些国家标准规范来创建反映工程实际问题且符合数学规划的 数学模型，最后将数学规划法和计算机技术相结合找出工程设计问题的最优解。 本世纪以来，伴随优化设计技术的推广和普及，各类优化计算程序都被做成了 3 完整的系统，而随之产生的商业软件也越来越多，比如 ANSYS、 ABAQUS、 LS-DYNA、 MSC等，这些软件可以很方便的帮助设计人员自动选择合适的算法，并能够自 动进行运算和评价计算结果，研究人员不需要学习太多的数学优化理论，就能 够方便而有效率地解决多数实际的工程优化问题。我们所使用的优化方法种类 很多，例如惩罚函数法、共轭方向法、复合形法、最速下降法及鲍威尔算法等， 这些方法都具有

31、相对 的局限性，因此仍需要不断的探索新的方法。在早期时候， 国外 Gallagher大学、国内上海科技大学的王生洪 2 和北京航空航天大学的夏 人伟 2122等人均在优化设计方法上做过很多研究，他们的方法都为虚功准则法， 广西大学的陈树勋教授在上世纪八十年代创立了一种优化方法导重法，该 方法克服了虚功准则法的缺陷，体现了理性准则法的优势。除此之外，国内外 很多专家学者也在着手探索新的优化方法，由此我们可以预见，随着科学理论技 术的飞速发展，新兴的最优化技术学科必将获得更广泛、更有效的应用，相信它必 将获得更 完善和更深入的成果。 1.5主要研究内容与方法 根据企业所提供的关于某型号桥式起重机的

32、技术资料，对该型号的桥式起重机 桥架结构进行结构分析，利用 ANSYS10. 0对 20T/22. 5m双梁桥式起重机的主梁、小 车轨道、走台、运行机构等结构进行加载受力分析，找出桥架工作过程当中的应力 集中部位既薄弱环节，并对主梁进行结构改进，通过结构改进消除应力集中，在不 増加成本的前提下使主梁的结构能够满足工作的强度及刚度要求。使主梁在额定载 荷工作条件下具有较大的强度及刚度冗余，便于后来对主梁整体结构进行尺寸优化 设计。运用 APDL语言编制了能自动实现优化设计过程的程序，实现了主梁截面尺寸 的优化，在满足刚度和强度的前提下减轻了箱形主梁的重量，节省了制造主梁所需 要的材料，达到了降低

33、成本的目的。 论文的主要研究内容和途径如下： 1. 进入企业进行实际参观调研，与技术部的人员进行技术交流，了解桥式起重 机实际生产过程，共同拟定研究的流程及方案。获取有关桥式起重机结构的图纸和 相关设计资料，并进行初步的设计计算。 2. 根据所获得的桥式起重机的 CAD图纸建立桥式起重机的有限元模型。本文采 用 ANSYS10.0进行建模，因此有必要对桥 架的结构进行简化，并选取适合的单元类 型、材料实常数以及网格尺寸对桥架的几何模型进行网格划分，完成结构有限元模 型的建立。 3. 对桥式起重机桥架进行静力分析。通过分析起重机机构的工作原理，确定了 几种常见的工况，并确定每种工况 a中，桥架的

34、详细受载情况（自重载荷、轮压、惯 性载荷 )等。在求解器 a中对桥架进行加载，对每种工况进行有限元分析，求解每种 4 工况下主梁的应力分布。 4. 对比每种工况下主梁的应力分布，确定主梁的最危险工况，并通过对主梁结 构进行改进来改善局部应力集中的现象，为主梁的结构优化提供良好的应力及刚度 储备。 5. 对起重机主梁进行结构优化设计。首先建立主梁优化的数学模型，本文以减 小主梁重量作为目标函数，主梁的最大等效应力及应变作为状态变量，主梁各个尺 寸作为设计变量对主梁进行优化设计。先利用 ANSYS对结构改进后的主梁进行参数 化建模并直接运用 ANSYS自带的优化方法对主梁进行优化，再利用 ANSY

35、S与结构优 化导重法想结合的方式对主梁进行结构优化。通过对比两种优化方法的最优结果及 迭代次数，判定两种方式的优劣。并以此获得主梁的最优设计方案。 6. 对最优设计方案进行圆整，并再次进行分析。通过对比最优方案的分析结果， 验证导重法优化结果的正确性。 1.6本章小结 本章主要交代了项目的研究背景、课题来源，并详细介绍了对桥式起重机桥主 梁进行有限元受力分析和结构优化的意义。接着对桥式起重机的国内外研究现状进 行详细的阐述，最后确定论文的主要研究内容、拟解决的问题及研究途径：即通过 实际调研了解桥式起重机的结构、工作原理，基于 ANSYS10.0平台建立桥式起重机 桥架结构的有限元模型，对常见

36、的四种工况进行加载受力分析，求解每种工况下桥 机主梁的应力分布情况，并对比求解结果得出主梁的最危险工况，并根据最危险工 况下的应力集中情况来改进主梁的结构。基于APDL参数化设计语言对桥架进行参数 化建模，并选取适当的设计变量、状态变量、目标函数，建立起重机主梁优化的数 学模型，先利用 ANSYS自带的优化器对主梁结构进行迭代优化，得出最优方案。再 利用 ANSYS与结构优化导重法想结合的方式进行结构优化，获得最优方案。通过对 比两种优化方法的最优结果及迭代次数，判定两种方式的优劣。 并以此获得主梁的 最优设计方案。最后再次对最优结果进行有限元受力分析，验证结果的正确性。 5 第二章桥式起重机

37、设计概述 2.1桥式起重机的基本工作原理 起重机主要以短暂的反复的循环工作方式来完成货物的装卸或设备安装作业， 起重机由承受载荷的金属结构、产生运动的运行机构、提供动力和起控制作用的电 气设备及各种安全指示装置等四大部分组成。起重机在工作时需要频繁的启动及制 动，在启动及制动瞬间，机械系统会产生强烈的振动和冲击。 桥式起重机主要由大车、小车以及吊钩 组成 23，其主要承受载荷的部分为桥架， 桥架属于钢结构，支撑在搭建于车间两侧的轨道上，通过大车带动整个桥架沿轨道 的纵向方向运行。小车支撑在焊接于桥架端梁上的两根主梁的轨道上，主要由小车 运行机构和起升机构两部分组成，运行机构带动小车沿铺设在主梁上的轨道做横向 运动，起升机构带动起吊物品和吊具在垂直方向上做升降运