塔機(jī)變截面臂架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

塔機(jī)變截面臂架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

0減少水平臂架重量,增加內(nèi)塔式重量臂長(zhǎng)，重量大。臂架設(shè)計(jì)的充分性直接影響重型機(jī)器的重量、穩(wěn)定性和承載能力。因此，在保證臂架重量、剛度和整體穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡可能減少臂架的重量。水平臂架是一雙向壓彎梁柱構(gòu)件,內(nèi)力主要由自重載荷、起升載荷、風(fēng)載荷產(chǎn)生,因此產(chǎn)生的內(nèi)力沿臂架長(zhǎng)度方向上不同,若采用等截面設(shè)計(jì)將會(huì)造成內(nèi)力較小處材料浪費(fèi),使臂架自重較大,采用變截面設(shè)計(jì)則可以克服這一缺點(diǎn)。因此,用有限元分析方法,對(duì)臂架的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析,在前人的基礎(chǔ)上,將每節(jié)臂架之間的高度差作為設(shè)計(jì)變量,對(duì)臂架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),具有重要的工程意義。1元模型的構(gòu)建1.1空鋼臂架與根據(jù)以QTZ5010塔式起重機(jī)臂架為例,其結(jié)構(gòu)是正三角形截面,腹桿體系為三角形,上弦桿是圓鋼管,下弦桿由等邊角鋼拼焊而成。截面尺寸為1.2m×1m,總長(zhǎng)48m,由8節(jié)(每節(jié)6m)的臂架通過(guò)螺栓和銷軸連接。臂架根部與塔身以固定鉸支座的形式連接,在第2、3節(jié)臂架和第6、7節(jié)臂架連接處有鋼拉桿牽拉。臂架的材料為Q235,鋼拉桿的材料為16Mn(Q345),材料密度為7860kg/m3,泊松比為0.3,彈性模量為2.1E11Pa。1.2beam188梁?jiǎn)卧Ｐ驮贑AD軟件里建立幾何模型再導(dǎo)入ANSYS中分析時(shí),容易丟失數(shù)據(jù),劃分網(wǎng)格工作量大,所以在此選擇直接在ANSYS里建立臂架的線框模型。對(duì)于臂架結(jié)構(gòu)的上弦桿、下弦桿、下弦桿件的腹桿和上下弦桿之間的腹桿,本文采用Beam188梁?jiǎn)卧M,對(duì)于只承受軸向拉力的拉桿則采用Link8單元模擬。對(duì)于Beam188梁?jiǎn)卧獊?lái)說(shuō)不需要設(shè)置實(shí)常數(shù),用section功能進(jìn)行截面定義。由于這里涉及臂架的變截面,每節(jié)臂架有自己的截面尺寸,要對(duì)每一個(gè)截面進(jìn)行定義,截面ID號(hào)為ij,i表示第i節(jié)臂架,j表示型鋼(j=1為上弦桿的圓鋼管;j=2為下弦桿的角鋼焊接拼成的正方形鋼管;j=3為腹桿圓鋼管),例如:ID號(hào)12表示第一節(jié)臂架的下弦桿。第一根拉桿的實(shí)常數(shù)定義為1,第二根拉桿的實(shí)常數(shù)定義為2。建立的有限元模型如圖1所示。1.3臂架風(fēng)荷載和q、風(fēng)載荷1)約束邊界條件。約束邊界條件一般沒(méi)有變化,對(duì)于小車變幅式筆架結(jié)構(gòu),臂架根部與塔機(jī)回轉(zhuǎn)節(jié)之間是通過(guò)銷軸相連,可認(rèn)為是固定鉸支座,約束UX、UY、UZ、ROTX、ROTZ,兩拉桿與塔頂之間約束UX、UY、UZ。2)載荷邊界條件。載荷邊界條件本文主要考慮臂架自重載荷FG、起升載荷FQ、風(fēng)載荷FW。由于有限元建立的模型是理想化的,一系列的簡(jiǎn)化造成模型的重量小于比價(jià)的真實(shí)質(zhì)量,所以加載時(shí)有必要對(duì)重量進(jìn)行補(bǔ)償,本模型采用密度補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償。只需施加重力加速度,ANSYS會(huì)自動(dòng)計(jì)算出自重載荷。對(duì)于起升載荷,不同起升幅度的最大吊重不同,因此起升載荷不同,本文中考慮載荷在最大起重幅度處(4t)、兩吊點(diǎn)中間(2.34t)、最大幅度處(1t)三種工況的情況。另外,當(dāng)起升質(zhì)量突然離地升起和下降制動(dòng)時(shí),起升載荷將對(duì)結(jié)構(gòu)(鉛垂方向)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生附加的動(dòng)載荷,用起升動(dòng)載系數(shù)φ2來(lái)表示,即起升載荷乘以一個(gè)大于1的起升動(dòng)載系數(shù)φ2(此處取1.2)。風(fēng)載荷FW=CWPWA(CW為風(fēng)力系數(shù),取1.3;PW為計(jì)算風(fēng)壓,以最大風(fēng)速為13m/s計(jì)算,PW=103.6Pa;A為迎風(fēng)面積),風(fēng)載荷可以以壓強(qiáng)的形式加載臂架迎風(fēng)面上(CWPW=134.7Pa)。將約束邊界條件和載荷邊界條件施加在有限元模型上進(jìn)行求解。2優(yōu)化分析2.1臂架的優(yōu)化設(shè)計(jì)在以往的研究中,以臂架寬度、塔帽高度、上下弦桿截面尺寸等為設(shè)計(jì)變量的研究較為多見(jiàn),本文著重研究變截面臂架,因此在這里以上下弦桿、腹桿的截面尺寸和相鄰兩節(jié)臂架之間的高度差為設(shè)計(jì)變量對(duì)塔機(jī)臂架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);由于下弦桿同時(shí)兼做變幅小車的軌道,為了使小車行駛平穩(wěn)和保持臂架外形上的連續(xù)性,兩下弦桿之間的距離應(yīng)保持恒定。設(shè)計(jì)變量為臂架節(jié)上弦桿之間的高度差Hi(i=1、2…7),如圖2所示。2.2材料的許用應(yīng)力由于臂架各構(gòu)件應(yīng)滿足其強(qiáng)度及剛度的要求,本文的約束條件:計(jì)算應(yīng)力不大于許用值(σmax≤[σ]);計(jì)算撓度不大于許用值(fmax≤[f])。許用應(yīng)力值。其中σs是材料的屈服極限,Q235、Q345材料的屈服極限分別為235MPa、345MPa;ns為安全系數(shù),這里取1.5,計(jì)算得出Q235、Q345材料的許用應(yīng)力分別為1.57E8N/m2、2.30E8N/m2。許用撓度(其中L為臂架長(zhǎng)度,根據(jù)工況不同分別取6m、24m、48m),計(jì)算得出許用撓度分別為0.0252m、0.4032m、1.6128m。2.3桿件面面積li目標(biāo)函數(shù)即為。式中,ρ為材料密度,Ai為各桿件的截面面積,Li為桿件的長(zhǎng)度。在此模型中,大部分材料都是Q235,密度為常數(shù),設(shè)臂架的總體積為VTOT,質(zhì)量為WT,則目標(biāo)函數(shù)可簡(jiǎn)化為WT=ρ*VTOT。2.4設(shè)計(jì)變量偏導(dǎo)數(shù)優(yōu)化方法是使單個(gè)函數(shù)(目標(biāo)函數(shù))在控制條件下達(dá)到最小值得傳統(tǒng)方法。有兩種方法可用:零階方法和一階方法。零階方法只用到因變量而不用到它的偏導(dǎo)數(shù);一階方法使用因變量對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)。本文采用一階方法求解,迭代次數(shù)設(shè)為30次。3臂架及體的重、以擬合的方式確定于通過(guò)優(yōu)化得到三組滿足狀態(tài)變量要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)變量,H分別等于122.88mm、154.64mm、200mm,取最小值122.88mm圓整后得122mm,此時(shí)臂架自重3957kg,