利用ISIGHT软件对履带起重机臂架结构进行优化设计

2016-10-24 by:CAE仿真在线来源:互联网

在起重机的传统设计方法中,多是凭借经验和判断,选择和确定结构方案,初选构件的截面尺寸,然后进行强度、刚度和稳定性的校核和验算。设计工作周期长,效率低,费用高。同时往往得到的仅仅是可行方案,而不是最优方案。本文首先通过APDL脚本语言建立臂架参数化模型,即建立参数化的CAD模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。这样就可以减小模型建立需要的时间, 提高工作效率。然后在iSIGHT软件中搭建优化流程,进行DOE与结构优化研究。

iSIGHT 软件是近年来推出的一个集优化设计和自动化分析计算于一体的多学科优化设计软件,它融合了优化设计中需要的三大功能:自动化、集成化和最优化。以iSIGHT 软件为臂架结构优化设计平台,通过它的文件解析功能可以自动地编辑参数化模型的输入文件和自动读取输出文件。通过过程集成功能可以方便地对Ansys进行自动流程控制。

履带起重机主要由上车、下车、臂架等组成。其中,臂架是履带起重机最主要的关键部件之一,起重机通过臂架直接吊载,实现大作业高度与幅度。臂架的强度决定了最大起重量时的整机性能,其自重直接影响整机倾覆稳定性。随着起重机向大吨位起重量和高起升高度发展,对臂架的结构要求越来越高。在保证臂架安全可靠工作的前提下,对臂架进行合理设计,充分发挥材料的力学性能,降低结构重量,提高臂架的强度和稳定性,对提高整机性能具有重要的现实意义。本文以某型号的履带起重机3米中间节臂为研究对象,选取其截面尺寸及主弦管、腹管结构尺寸为设计变量,以臂架轻量化为优化目标,结合参数化有限元建模技术,建立扭转工况下优化设计模型

优化流程示意图

试验设计(DOE)是指在一系列实验中确定设计变量值的任何正规方法的总称,是由试验方法与数学方法,特别是统计方法相互交叉而形成的一门科学。在臂架的结构优化设计中,试验设计方法可以充分的研究设计变量对目标函数的影响。可以为进一步的优化工作缩小规模。

为了研究设计变量对目标函数的影响程度,确定不同工况下影响目标函数的关键因素;同时缩减优化规模,降低设计变量空间维数,使用iSIGHT 软件提供的试验设计方法计算臂架结构优化模型中设计变量的敏感度。应用优化拉丁超立方设计法计算,计算结果如图4 所示。

设计变量灵敏度分析

根据以上试验设计(DOE)的敏感度计算,确定了设计变量目标函数和约束的影响关键因素。优化方法采用在iSIGHT软件中提供的pointer智能优化算法,自动组合使用四种优化算法:遗传算法、序列二次规划法、线性规划法和Downhill单纯形法,能快速有效地解决复杂系统的优化问题。将优化设计结果进行修正,并在Ansys中重新计算,得到优化设计结果。优化前,臂架重量221kg,优化后200kg,结构减重10%左右。优化前,最大应力142MPa,优化后,最大应力140MPa,如图5所示。优化前,临界载荷581800N·m,优化后,临界载荷643139 N·m。