基于ansys workbench吊鉤優(yōu)化設(shè)計

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1、基于ANSYSWorkbench吊鉤優(yōu)化設(shè)計　　【摘要】將有限元分析方法和優(yōu)化設(shè)計理論相結(jié)合，以ANSYS軟件為工具，構(gòu)建了吊鉤的優(yōu)化設(shè)計。將形狀優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化相兼容，在保證安全性的前提下，優(yōu)化了吊鉤的結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得吊鉤質(zhì)量減少14.41%，為該類吊鉤的設(shè)計探索提供了新的方法?！娟P(guān)鍵詞】ANSYSWorkbench；吊鉤；有限元；優(yōu)化設(shè)計引言近年來，由于國內(nèi)大型電廠、核電站、大型石化等設(shè)施的建設(shè)，起重機(jī)不斷朝大噸位、超大噸位方向發(fā)展。吊鉤是起重機(jī)上應(yīng)用最廣泛的一種取物裝置，也是起重機(jī)的主要承載部件，吊

2、鉤的強(qiáng)度及其設(shè)計的合理性對起重機(jī)工作的安全性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。因此，應(yīng)用現(xiàn)代有限元分析方法，對吊鉤的強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)吊鉤的最大變形位置，揭示其應(yīng)力分布規(guī)律和危險截面，為吊鉤強(qiáng)度的研究設(shè)計提供理論依據(jù)，具有重要的工程意義。本文對承載5t的板狀吊鉤進(jìn)行優(yōu)化，減輕了吊鉤重量，為設(shè)計出優(yōu)秀承載大噸位的吊鉤提供依據(jù)。1.建立吊鉤三維模型1.1確定建模數(shù)據(jù)4吊鉤簡化后的幾何模型如圖1.1（a）所示，設(shè)置吊鉤寬度為W1，高度為H1，鉤孔半徑為R1，鉤柄寬度為W2，鉤柄高度為H2，吊鉤銷孔半徑為R2，吊鉤厚度為T1.吊鉤各尺

3、寸數(shù)據(jù)如表1.1所示。1.2建立三維模型本文采用ANSYSWorkbench的DM模塊直接建立吊鉤的三維模型，創(chuàng)建后的模型如圖1.1（b）所示。1.3添加尺寸參數(shù)為對吊鉤進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，定義吊鉤的寬度參數(shù)為width，高度參數(shù)為height，厚度參數(shù)為thickness。2.建立有限元模型并進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析建立有限元模型即給建好的吊鉤三維模型添加材料屬性并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。靜態(tài)應(yīng)力分析包括施加載荷和約束邊界條件并對應(yīng)力和總變形進(jìn)行求解。2.1建立吊鉤有限元模型首先定義吊鉤的材料屬性，吊鉤采用結(jié)構(gòu)鋼制造，密度為7850

4、kg/m3，彈性模量為2×105MPa，泊松比0.3。其次對吊鉤進(jìn)行網(wǎng)格劃分，吊鉤采用四面體網(wǎng)格類型，單元尺寸為5mm，可能應(yīng)力集中區(qū)域單元尺寸為2mm。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)788143，單元數(shù)917400。2.2靜態(tài)應(yīng)力分析4在靜態(tài)應(yīng)力分析前根據(jù)吊鉤的使用條件，對吊鉤銷孔面施加固定約束，對吊鉤鉤子中面施加Y方向的軸承載荷-50000N。然后對吊鉤的總變形和應(yīng)力進(jìn)行求解，總變形求解結(jié)果為最大變形0.571mm，最大應(yīng)力求解結(jié)果為205.25MPa，最小安全因子為1.218。3.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計設(shè)置重量減小20%為優(yōu)化條件，對

5、吊鉤進(jìn)行形狀拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見圖3.1（a）。圖中顏色較深部分表示可切除區(qū)域，顏色較淺部分表示不重要的部分，灰色表示保留部分，可以根據(jù)需要進(jìn)行切除或保留。根據(jù)圖3.1（a）的結(jié)果，對吊鉤模型的尺寸進(jìn)行修改，修改后的模型見圖3.1（b）。施加相同的約束和載荷條件，計算最大變形為0.548mm，最大應(yīng)力為204.97MPa，最小安全因子為1.219，變形和應(yīng)力滿足設(shè)計要求。4.多目標(biāo)優(yōu)化求解應(yīng)用Workbench進(jìn)行優(yōu)化分析時通常先定義狀態(tài)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)，查看響應(yīng)分析、優(yōu)化分析、求解并驗證結(jié)果。定義吊鉤的狀態(tài)參數(shù)

6、為最大變形、最大應(yīng)力，最小安全系數(shù)和質(zhì)量。然后根據(jù)吊鉤的結(jié)構(gòu)限制，給定寬度尺寸變化條件為185mm≤width≤215mm，180mm≤height≤220mm，54mm≤thickness≤66mm。求解目標(biāo)為質(zhì)量最小，最小安全系數(shù)的目標(biāo)值為1.2。4對吊鉤進(jìn)行優(yōu)化求解，求解結(jié)果如圖4.1所示。由圖4.1可以明顯看出，B組解為最優(yōu)解，滿足質(zhì)量最小，且最小安全系數(shù)大于1.2。圖4.1優(yōu)化求解結(jié)果用優(yōu)化后的尺寸參數(shù)驅(qū)動模型，并對模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，最大變形為0.528mm，最大應(yīng)力為203.12MPa，質(zhì)量為12

7、.631kg，最小安全因子為1.44，滿足設(shè)計要求。5.結(jié)論本文對吊鉤進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化，使吊鉤質(zhì)量由14.758kg減少到12.631kg，減輕了14.41%.優(yōu)化前后參數(shù)對比見表5.1.由表5.1可以看出，參數(shù)優(yōu)化后的最大變形、最大應(yīng)力、質(zhì)量明顯減小，而安全因子增大，說明參數(shù)優(yōu)化效果良好。參考文獻(xiàn)[1]查太東，楊萍.基于ANSYSWorkbench的固定支架優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2012，33（2）：43-46.[2]許京荊.ANSYS13.0Workbench數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：中國水

8、利水電出版社，2012.[3]陳雪春.140T鐵水罐傾翻吊鉤優(yōu)化設(shè)計[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2007.[4]陳雪春.基與ANSYS的鐵水罐傾翻吊鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械與電子，2009（6）：73-75.4