起重機(jī)伸縮吊臂截面優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

起重機(jī)；伸縮吊臂；截面；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ANSYS1前言伸縮吊臂是輪式起重機(jī)中至關(guān)重要的部件，其重量一般占整機(jī)的13%~20%，而大型起重機(jī)這個(gè)比例則更大，這就導(dǎo)致起重機(jī)在大幅度下的起重量和大起重量下的起升高度急劇降低。因此，在滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低吊臂自重，尤其對(duì)大噸位起重機(jī)具有十分重要的意義。

 

本文討論伸縮吊臂的優(yōu)化問(wèn)題，為保證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性，采用功能強(qiáng)大、技術(shù)非常成熟的大型商用有限元軟件ANSYS為工具，以徐工集團(tuán)徐州重型機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的QAY125型全地面起重機(jī)的伸縮吊臂為例探討吊臂截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

 

2吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在ANSYS環(huán)境下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，存在設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù)三類變量。由于吊臂的長(zhǎng)度是由起重機(jī)作業(yè)范圍確定的，不能改變，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量應(yīng)是截面參數(shù)，即截面形狀和壁厚參數(shù)。因而吊臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)歸結(jié)為其截面的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。狀態(tài)變量制約設(shè)計(jì)變量的取值，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，而對(duì)狀態(tài)變量的約束則構(gòu)成了約束方程。吊臂設(shè)計(jì)中，為保證強(qiáng)度、剛度，可設(shè)定應(yīng)力和位移為狀態(tài)變量，控制應(yīng)力和位移的大小以達(dá)到吊臂的強(qiáng)度和剛度要求。目標(biāo)函數(shù)為吊臂的重量，*終使重量*輕。而對(duì)于吊臂而言，計(jì)算應(yīng)力、變形的精確模型應(yīng)為有限元模型即需要建立參數(shù)化有限元分析模型。由于優(yōu)化過(guò)程是不斷在設(shè)計(jì)域內(nèi)進(jìn)行搜索以尋求*優(yōu)解，這樣有限元分析過(guò)程就得反復(fù)進(jìn)行，亦即有限元分析的整個(gè)過(guò)程是作為優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)文件，并進(jìn)一步生成優(yōu)化循環(huán)文件以便優(yōu)化過(guò)程反復(fù)調(diào)用，若是有限元模型較大，則分析時(shí)間長(zhǎng)，優(yōu)化迭代時(shí)間也就很長(zhǎng)。

 

考慮到QAY125伸縮吊臂截面尺寸大且很長(zhǎng)（節(jié)數(shù)為5節(jié)臂，全伸臂為50m），因而有限元模型大（節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)4萬(wàn)，單元數(shù)近4萬(wàn)）計(jì)算量大。有限元計(jì)算1次約需15ninP，若優(yōu)化迭代40次，則將近10h.這樣，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，就不宜用QAY125伸縮吊臂有限元分析過(guò)程作為優(yōu)化分析文件。為此，我們選擇吊臂的截面特性作為狀態(tài)變量，通過(guò)控制截面特性（截面慣性矩及截面抗彎模量）下限取值，來(lái)基本滿足吊臂應(yīng)力及變形的許用要求；而由受壓邊的邊長(zhǎng)上限和厚度下限取值來(lái)基本保證局部穩(wěn)定性要求。目標(biāo)函數(shù)為吊臂重量，由于可假定吊臂材料的密度均勻且吊臂長(zhǎng)度不變故用其截面面積作為目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束后，對(duì)所得截面尺寸的吊臂再用有限元法精確校孩吊臂的強(qiáng)度、剛度及局部穩(wěn)定性。

 

若這些條件不滿足，則需調(diào)整設(shè)計(jì)變量的上、下限，再運(yùn)行上述優(yōu)化過(guò)程，直至滿足要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元校孩流程圖如所示。采用這樣的優(yōu)化方法就避免了將有限元分析過(guò)程作為優(yōu)化分析文件帶來(lái)計(jì)算量很大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

 

具體到每節(jié)臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，我們考慮兩個(gè)非常重要的工況：基本臂工況和全伸臂工況。由基本臂工況通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定基本臂截面尺寸和壁厚，并由各節(jié)臂之間的間隙確定其余各節(jié)臂的截面尺寸，然后再由全伸臂工況確定其它節(jié)臂的壁厚。

 

3伸縮吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程QAY125伸縮吊臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是截面為大圓角十二邊形（下蓋板為11個(gè)邊），具有較好的穩(wěn)定性和抗屈曲能力，能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，且使用高強(qiáng)度鋼材，減輕了吊臂重量，提高了整機(jī)的起重性能。另外，吊臂上下蓋板僅有2道焊縫，且布置在側(cè)面中線附近低應(yīng)力區(qū)，焊接工藝性好，傳力更可靠。

 

這種吊臂形狀代表國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)的技術(shù)。因此，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不改變此吊臂的基本形狀，即仍保持吊臂為12個(gè)邊。

 

3.1基本臂截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)作為吊臂來(lái)說(shuō)，總希望在不發(fā)生局部失穩(wěn)的前提下，壁厚設(shè)計(jì)得薄一點(diǎn)，截面設(shè)計(jì)大一些。但由于受整機(jī)尺寸的限制，吊臂外形尺寸不能增大，因而只能在截面總高和總競(jìng)保持不變的條件下進(jìn)行截面的優(yōu)化。而由QAY125伸縮吊臂在全縮工況下的有限元分析可知，基本臂下底邊在變幅支座附近的應(yīng)力為535MPa，此應(yīng)力值接近許用應(yīng)力值（=620MPa），可見(jiàn)通過(guò)減小壁厚減輕重量的余量并不是很大，故沒(méi)有必要將吊臂厚度作為設(shè)計(jì)變量，可以憑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)減小其壁厚?？紤]到*大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在吊臂下底板受壓處，所以，我們?cè)谧鲀?yōu)化設(shè)計(jì)之前，將上蓋板部分的壁厚減小1nm，即由7mm減為6nm，而下部分的板厚保持不變。但這樣必然導(dǎo)致截面的慣性矩和抗彎模量減小，故需要對(duì)吊臂的下部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化。其優(yōu)化模型圖見(jiàn)。

 

量/3、L4可根據(jù)圖中幾何關(guān)系由設(shè)計(jì)變量表示出來(lái)。/1上限值按局部穩(wěn)定性臨界應(yīng)力表達(dá)式a再由有限元法所得的臨界應(yīng)力值估算為/1=228nm考慮到折板的臨界應(yīng)力比下底板大，為使折板對(duì)下底板和腹板具有更強(qiáng)的約束作用，綜合篇故折板的上限也取228mm由可見(jiàn)，角度a、的上限，顯然存在：2（a狀態(tài)變量：以控制下底邊的應(yīng)力為目的。先獲得吊臂優(yōu)化前的截面慣性矩//，。以及形心到下底邊之距兒。，計(jì)算H0，作為和的下限。至于吊臂變形，綜合考慮外形尺寸不變、上蓋板僅減小1mn以及由有限元法算得的變形量較小、安全裕度大等特點(diǎn)，故對(duì)、/，不作約束限制。

 

綜上所述，得到基本臂優(yōu)化設(shè)計(jì)模型f解。對(duì)于含有設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量的約束優(yōu)化問(wèn)題，ANSYS先用懲罰函數(shù)法（SUMT）將其轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題。ANSYS中有兩種優(yōu)化方法可供選擇：零階方法（ZeroOder）和一階方法。

 

零階方法屬于直接法，它是通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)變量的值，采用曲線擬合的方法去逼近狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。一階方法是間接方法，它使用狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)，在每次迭代中計(jì)算梯度確定搜索方向，因而精度較高，但占用的時(shí)間相對(duì)較多。此外，還應(yīng)注意的是由于采用梯度法搜索，可能使得搜索結(jié)果位于局部*優(yōu)解，而不是全局*優(yōu)解，故對(duì)所得結(jié)果應(yīng)仔細(xì)判斷。

 

優(yōu)化時(shí)，起始序列選用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，首先確定迭代40次，得到的優(yōu)化結(jié)果不理想，主要是吹、叫比其下限值大得較多，重量減小得較少，看來(lái)結(jié)果出現(xiàn)了局部*優(yōu)解。為此，細(xì)化設(shè)計(jì)變量的區(qū)間，重新優(yōu)化了2次，每次迭代次數(shù)均為20次，*終得到*優(yōu)解。所得的3種截面如所示。

 

中，a表示的是第1次優(yōu)化所得的截面，整個(gè)截面很像是六邊形（L2太小、L3太大所致），腹板高度太大顯然不具備將腹板折成多個(gè)折邊、使得腹板高度大大減小、增強(qiáng)其局部穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，偏離了原有的設(shè)計(jì)意圖；b是第2次的優(yōu)化結(jié)果，比第1次有較大改善，但L3偏小，腹板高度仍顯偏大；c是第3次的優(yōu)化結(jié)果，各折板長(zhǎng)度接近，腹板高度進(jìn)一步減小，下部趨近于圓弧。3種截面的特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表d表示的是*終確定的吊臂形狀。

 

表1QAY125基本臂優(yōu)化前后截面特性比較項(xiàng)目面積優(yōu)化前截面**次優(yōu)化第二次優(yōu)化第三次優(yōu)化3.2其余節(jié)臂截面尺寸確定在基本臂截面尺寸優(yōu)化確定后，便可根據(jù)每節(jié)臂之間的間隙（滑塊厚度尺寸）大小用作圖法定出2、玉4和5節(jié)臂的尺寸。而每節(jié)臂的厚度則根據(jù)全伸臂時(shí)的強(qiáng)度、剛度及局部穩(wěn)定性要求來(lái)確定?？偟脑瓌t是與現(xiàn)有產(chǎn)品的吊臂在全伸臂工況下具有大致相同的安全貯備、小幅提升應(yīng)力及撓度值。調(diào)整后的吊臂厚度見(jiàn)表2，優(yōu)化前后吊臂應(yīng)力及撓度值見(jiàn)表32.對(duì)于撓度，按起吊平面及側(cè)向平面許用撓度公式算得全伸臂工況下的許用撓度值分別為2.5及1.751，可見(jiàn)優(yōu)化后吊臂變形量仍在允許范圍之內(nèi)。

 

表2吊臂優(yōu)化前后板厚對(duì)比（單位：rnm）吊臂節(jié)基本臂2節(jié)臂3節(jié)臂4節(jié)臂5節(jié)臂上蓋板優(yōu)化前優(yōu)化后下蓋板優(yōu)化前優(yōu)化后表3全伸臂工況下優(yōu)化前后吊臂應(yīng)力及變形對(duì)比（應(yīng)力：MPa，探度：m）吊臂基本臂2節(jié)臂3節(jié)臂4節(jié)臂5節(jié)臂起吊撓度側(cè)向撓度優(yōu)化前優(yōu)化后位置變幅支座前上滑塊接觸面下滑塊接觸面下滑塊接觸面下滑塊接觸面吊臂頭部吊臂頭部發(fā)每節(jié)臂的局部穩(wěn)定性尚需校孩?；颈圻x全縮工況，其余臂選全伸臂工況。求得各節(jié)臂的臨界屈曲應(yīng)力如表4所示。此時(shí)，每節(jié)臂上首先發(fā)生失穩(wěn)的仍是在下底邊。

 

表4吊臂局部穩(wěn)定臨界屈曲應(yīng)力吊臂節(jié)基本臂2節(jié)臂3節(jié)臂4節(jié)臂5節(jié)臂臨界應(yīng)力優(yōu)化后各節(jié)臂的截面尺寸（下蓋板部分）見(jiàn)表5，a及獲得的值分別為19°表5吊臂優(yōu)化后的截面尺寸（mm）吊臂節(jié)總局總競(jìng)基本臂第2節(jié)臂第3節(jié)臂第4節(jié)臂第5節(jié)臂優(yōu)化前后吊臂截面面積及吊臂筒體減輕重量見(jiàn)表6.吊臂優(yōu)化前的筒體重量為9116kg，優(yōu)化后較優(yōu)化前減輕了88%的重量。

 

表6吊臂優(yōu)化前后截面面積及臂筒重量對(duì)比吊臂節(jié)基本臂2節(jié)臂3節(jié)臂4節(jié)臂5節(jié)臂面積優(yōu)化前優(yōu)化后前后面積差（nm減輕重量（kg）合計(jì)（kg）4小結(jié)針對(duì)吊臂截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由截面特性作為狀態(tài)變量約束條件，可大大減少優(yōu)化迭代時(shí)間，使得吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。而再利用有限元法對(duì)吊臂的強(qiáng)度、剛度和局部穩(wěn)定性進(jìn)行精確校孩，可確保優(yōu)化結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。

 

盡管本文是對(duì)CAY125全地面起重機(jī)吊臂作的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但其方法同樣適用于其它形狀的吊臂優(yōu)化設(shè)計(jì)。圓紀(jì)愛(ài)敏，彭鐸，劉木蘭。CY25K型汽車起重機(jī)伸縮吊臂的有限元分析。工程機(jī)械，2003，34（1）19-21.紀(jì)愛(ài)敏。汽車起重機(jī)伸縮吊臂及車架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司博士后研究工作報(bào)告。2003，9.紀(jì)愛(ài)敏，張培強(qiáng)，彭鐸，等。起重機(jī)伸縮吊臂局部穩(wěn)定性的有限元分析。農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004，35（6）：48-51.徐芝綸。彈性力學(xué)。北京：高等教育出版社，1985.GB3811-83，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范。

 

（編輯金治勇）紀(jì)愛(ài)敏（1965-），男，安徽安慶人，博士，副教授，從事結(jié)構(gòu)有限元分析及網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)等研究，河海大學(xué)常州校區(qū)機(jī)電工程學(xué)院。