畢業(yè)設(shè)計(jì)--qtz125塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　塔式起重機(jī)具有工作效率高，回轉(zhuǎn)半徑大，起升度高的特點(diǎn)，在工業(yè)和建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為建筑行業(yè)的重要施工設(shè)備。目前產(chǎn)品向極大化發(fā)展，特別是大型結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如何從優(yōu)化和分析出發(fā)，建立系統(tǒng)模型，確定基本性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，顯得非常重要。</p><p>　　本文以QTZ125水

2、平變幅式塔式起重機(jī)的桁架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究在最大幅度工況下起重臂的優(yōu)化。采用理論計(jì)算與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法，精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)變量，提高優(yōu)化計(jì)算效率，同時(shí)充分考慮各約束條件、并選擇適合該臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳優(yōu)化算法，以保證結(jié)果最優(yōu)。結(jié)果顯示優(yōu)化后的臂架重量有所減輕。</p><p>　　本文利用ANSYS軟件建立起重臂處于獨(dú)立式塔機(jī)的模型，確定正常風(fēng)載荷下滿載工況，對(duì)其進(jìn)行時(shí)間歷程響應(yīng)分析。在此基礎(chǔ)上對(duì)獨(dú)立式塔機(jī)臂架進(jìn)行

3、變幅工況的動(dòng)態(tài)特性討論，分析塔機(jī)臂架位移與應(yīng)力的時(shí)間歷程情況，得出該工況下的位移響應(yīng)曲線具有一定的規(guī)律性。</p><p>　　通過(guò)建立QTZ125水平臂架的有限元模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)和時(shí)間歷程響應(yīng)分析結(jié)果滿足要求。這對(duì)優(yōu)化臂架結(jié)構(gòu)具有一定的價(jià)值，為起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供了有益的參考。</p><p>　　關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)，水平臂架，有限元模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)，時(shí)間歷程響應(yīng)分析</p>

4、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Tower crane, with the characteristic of high efficiency, large radius and great lifting height, today, widely used in the field of industry and civil building

5、s, has become a major equipment in the construction industry. Therefore, to maximize product development, it is becoming increasingly important to design the large-scale structure, in particular large-scale structure. Me

6、anwhile we should provide a scientific basis for the detailed design by starting from the optimization design, building ac</p><p>　　The trolley of QTZ125 tower crane is taken as the research object. The stru

7、cture optimization method is researched in the largest amplitude working conditions, elevations and beams. In order to reduce the design variables and improve the calculation efficiency, mathematical calculation and the

8、finite element method were combined to calculate the dangerous working condition for boom structure optimization. In order to ensure optimal results, the constraint and the optimal algorithm were taken acc</p><

9、;p>　　This paper established independent tower cranes’ finite element model in a typical location and analyzed time history situation of displacement of the type cranes of full load with normal state of the wind load b

10、y ANSYS. The dynamic characteristics of independent tower crane were discussed when it was in amplitude condition. The time history situation of displacement and stress are also analyzed. The result showed the displaceme

11、nt time history situation was regular.</p><p>　　By establishing the trolley of QTZ125 tower crane’ finite element model, the optimal and the time history situation results met the requirements. It will provi

12、de a useful reference for designers.</p><p>　　Key Words: Tower crane, trolley, finite element model, optimal design, time history situation of displacement</p><p><b>　　目錄</b></p&g

13、t;<p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 本課題提出的背景1</p><p>　　1.2 本課題的主要內(nèi)容2</p><p>　　1.3 本課題的研究意義2</p><p>　　2 QTZ125塔式起重機(jī)3</p><p>　　2.1 QT

14、Z125塔式起重機(jī)主要參數(shù)3</p><p>　　2.2 QTZ125塔式起重機(jī)的優(yōu)點(diǎn)3</p><p>　　2.3 主要技術(shù)性能表4</p><p>　　2.4 主要配套件性能表5</p><p>　　2.5 主要金屬結(jié)構(gòu)件簡(jiǎn)述表6</p><p>　　2.6 本章小結(jié)6</p><p

15、>　　3 塔機(jī)臂架鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 分析問(wèn)題7</p><p>　　3.2 建立模型7</p><p>　　3.2.1 節(jié)點(diǎn)編號(hào)及坐標(biāo)位置（mm）7</p><p>　　3.2.2 連接關(guān)鍵點(diǎn)成直線15</p><p>　　3.2.3 定義單元類(lèi)型17</p>

16、;<p>　　3.2.4 定義實(shí)常數(shù)18</p><p>　　3.2.5 定義材料特性19</p><p>　　3.2.6 定義截面特性22</p><p>　　3.2.7 劃分網(wǎng)格23</p><p>　　3.2.8 定義約束29</p><p>　　3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述31</p&g

17、t;<p>　　3.3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹31</p><p>　　3.3.2 優(yōu)化中的基本概念31</p><p>　　3.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟32</p><p>　　3.4 優(yōu)化方案概述34</p><p>　　3.4.1 設(shè)計(jì)變量35</p><p>　　3.4.2 狀態(tài)變量35<

18、;/p><p>　　3.5 載荷的計(jì)算36</p><p>　　3.5.1 自重載荷36</p><p>　　3.5.2 起升載荷36</p><p>　　3.5.3 風(fēng)載荷37</p><p>　　3.5.4 水平慣性載荷40</p><p>　　3.6 臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟46</

19、p><p>　　3.6.1 施加載荷46</p><p>　　3.6.2 求解50</p><p>　　3.6.3 優(yōu)化設(shè)置53</p><p>　　3.7 本章小結(jié)64</p><p>　　4 QTZ125塔式起重機(jī)臂架的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析65</p><p>　　4.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的

20、基本理論65</p><p>　　4.2 工況的制定66</p><p>　　4.3 載荷的研究66</p><p>　　4.3.1 重力與風(fēng)載荷66</p><p>　　4.3.2 變幅載荷66</p><p>　　4.4 載荷的施加67</p><p>　　4.5 QTZ125塔

21、式起重機(jī)臂架瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)振動(dòng)特性分析67</p><p>　　4.5.1 建立優(yōu)化后塔機(jī)臂架模型67</p><p>　　4.5.2施加約束70</p><p>　　4.5.3 施加載荷70</p><p>　　4.5.4 求解72</p><p>　　4.5.5 輸出結(jié)果73</p><

22、p>　　4.6 QTZ125塔式起重機(jī)瞬態(tài)動(dòng)應(yīng)力分析80</p><p>　　4.7 本章小結(jié)84</p><p>　　5 總結(jié)及展望85</p><p><b>　　5.1 總結(jié)85</b></p><p><b>　　5.2 展望85</b></p><p&

23、gt;<b>　　參考文獻(xiàn)87</b></p><p><b>　　附錄89</b></p><p>　　附錄一 QTZ125塔式起重機(jī)臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)命令流89</p><p>　　附錄二 QTZ125塔式起重機(jī)臂架瞬態(tài)響應(yīng)分析命令流89</p><p><b>　　致謝90<

24、;/b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 本課題提出的背景</p><p>　　塔式起重機(jī)俗稱(chēng)塔機(jī)，也稱(chēng)為塔吊。作為一種搬運(yùn)機(jī)械，塔機(jī)是民用與工業(yè)建筑施工中，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件及建筑材料、工具等吊裝工作的主要設(shè)備。由于塔機(jī)能夠接近建筑物，其幅度利用率可覆蓋整體幅度的約80%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型的起重

25、機(jī)械。所以塔式起重機(jī)在民用建筑與高層工業(yè)施工中的使用率始終保持領(lǐng)先地位。使用塔機(jī)能夠提高施工效率、縮短施工時(shí)間、降低經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。同時(shí)，為了適應(yīng)吊裝部件的工廠化、預(yù)制裝配化等新技術(shù)、新工藝應(yīng)用的不斷完善，新型的塔式起重機(jī)具備了起升高度高、起重力矩大、工作幅度大、裝拆運(yùn)輸方便、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　因?yàn)樗C(jī)在建筑工業(yè)中使用頻繁，且工作強(qiáng)度大，所以塔機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及使用的安全性顯得尤為重要。起重機(jī)械鋼結(jié)

26、構(gòu)為起重機(jī)械的支承體系，鋼結(jié)構(gòu)的重量通常占整臺(tái)機(jī)械重量的60%～70%，有的機(jī)械如塔式起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)占整機(jī)重量(除配重和基礎(chǔ))的90%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅肩負(fù)著的安全的重任，而且其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，與產(chǎn)品的造型、性能及產(chǎn)品成本密切相關(guān)。</p><p>　　目前關(guān)于塔機(jī)的傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究甚少。</p><p>　　本文以塔機(jī)雙吊點(diǎn)水平起重臂作為研究對(duì)象，根據(jù)臂架的工作特點(diǎn)和性能要求，提出了型鋼規(guī)格

27、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，建立了臂架最輕的結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，計(jì)算表明優(yōu)化后典型工況下臂架重量較優(yōu)化前有較大的改善和減小。其設(shè)計(jì)變量為上下弦桿的壁厚或內(nèi)圓半徑，約束條件為弦桿和腹桿的計(jì)算應(yīng)力以及拉桿的計(jì)算應(yīng)力不能大于許用值。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)針對(duì)塔式起重機(jī)的分析計(jì)算中，傳統(tǒng)靜力計(jì)算方法依舊占主導(dǎo)地位。這種方法存在計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算結(jié)果精度差、可視化效果不理想等缺點(diǎn)。</p><

28、p>　　《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)塔機(jī)的動(dòng)態(tài)性能沒(méi)有提出定量指標(biāo)，塔機(jī)在工作時(shí)，頻繁進(jìn)行起吊、卸載、回轉(zhuǎn)、變幅與制動(dòng)等操作，這些操作均表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)過(guò)程。規(guī)范中針對(duì)起吊、卸載等沖擊載荷，是將吊重載荷乘以一載荷系數(shù)模擬沖擊，按照靜力學(xué)方法計(jì)算塔機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，該方法不能體現(xiàn)塔機(jī)在動(dòng)態(tài)工況中應(yīng)力與位移的時(shí)間歷程相應(yīng)情況。如在起吊與卸載工況中，由于塔機(jī)載荷狀態(tài)的突然改變，塔機(jī)的瞬態(tài)應(yīng)力將大于其受靜態(tài)載荷時(shí)的情況，塔機(jī)將更容易發(fā)生破壞。又如在塔機(jī)

29、變幅操作中，在起重臂上平移的吊重是一種位置變化載荷，而在小車(chē)制動(dòng)時(shí)，吊重則作為一種方向的變化載荷，他們對(duì)塔機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)影響也值得考慮。</p><p>　　考慮到現(xiàn)在研究方法的不足，提出利用國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)定的有限元分析軟件ANSYS對(duì)塔式起重機(jī)臂架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。ANSYS是目前應(yīng)用最為廣泛的一種有限元分析軟件，具有結(jié)構(gòu)、熱能、流體等多種分析功能。塔式起重機(jī)屬于大型鋼結(jié)構(gòu)件，與其他軟件相比，ANSYS

30、針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有較高的計(jì)算精度與速度，能夠從根本上反應(yīng)塔機(jī)在各種靜動(dòng)態(tài)工況中的應(yīng)力與位移情況（鑒于篇幅限制，只考慮一種工況），分析結(jié)果可以縮短塔機(jī)設(shè)計(jì)周期，并對(duì)塔機(jī)實(shí)際工作中的安全使用提供指導(dǎo)建議。</p><p>　　1.2 本課題的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題以某塔機(jī)制造商生產(chǎn)的QTZ125型塔式起重機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作。</p><p>

31、　　1、建立該塔機(jī)的臂架有限元模型</p><p>　　運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，根據(jù)廠方提供的圖紙和《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，建立塔機(jī)臂架有限元模型。</p><p>　　2、對(duì)塔機(jī)臂架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　3、對(duì)塔機(jī)臂架進(jìn)行靜力學(xué)分析</p><p>　　研究QTZ125塔機(jī)臂架所受的主要載荷，以某一危險(xiǎn)工況為研究，繪制

32、塔機(jī)臂架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移云圖，并討論分析結(jié)果，掌握塔機(jī)在靜態(tài)載荷影響下的表現(xiàn)特征。</p><p>　　4、對(duì)塔機(jī)臂架進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析</p><p>　　利用ANSYS軟件的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊對(duì)塔機(jī)在變幅工況中的應(yīng)力與位移時(shí)間響應(yīng)情況進(jìn)行分析，研究變幅工況下塔機(jī)的振動(dòng)特點(diǎn)與瞬態(tài)應(yīng)力。</p><p>　　1.3 本課題的研究意義</p><p

33、>　　本文采用ANSYS建立了塔機(jī)臂架模型。對(duì)模型的簡(jiǎn)化較少，在最大程度上接近真實(shí)塔機(jī)臂架。</p><p>　　根據(jù)塔機(jī)的技術(shù)性能和工作性能要求，提出了臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的策略，以及典型工況下臂架及拉桿結(jié)構(gòu)最輕的優(yōu)化目標(biāo)，建立了臂架的優(yōu)化模型。優(yōu)化后材料的力學(xué)性能得到充分利用，使臂架結(jié)構(gòu)最輕，優(yōu)化策略合理，在塔機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　在模型的基礎(chǔ)上對(duì)塔式起

34、重機(jī)進(jìn)行有限元分析，對(duì)塔機(jī)在變幅工況載荷作用下的應(yīng)力與位移數(shù)據(jù)圖像化顯示，可以明確結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)域與位移情況。與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，有限元計(jì)算速度快，圖像可視化性高，不僅可以減少計(jì)算工作量，提高計(jì)算精度，還能夠全面地得到所有部件的應(yīng)力狀態(tài)，為塔機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供全面可靠的數(shù)據(jù)支持，對(duì)于縮短塔機(jī)設(shè)計(jì)周期和降低開(kāi)發(fā)成本具有實(shí)際意義。 </p><p>　　2 QTZ125塔式起重機(jī)</p><

35、p>　　2.1 QTZ125塔式起重機(jī)主要參數(shù)</p><p>　　塔機(jī)型號(hào)：QTZ125 (HX6014)</p><p>　　公稱(chēng)起重力矩：1250KN·m</p><p>　　工作幅度：3.1～60m</p><p>　　最大起重量/最大幅度處起重量：10/1.4t</p><p>　　獨(dú)立式起升

36、高度：46.2(51.2)m</p><p>　　附著式起升高度：161m</p><p>　　起升速度：105/53/26 80/40/20m/min</p><p>　　回轉(zhuǎn)速度：0～0.8 r/min</p><p>　　變幅速度：54/27/8.1</p><p><b>　　塔身主肢：方管</

37、b></p><p>　　起重臂：上弦：圓鋼 下弦：方管</p><p>　　2.2 QTZ125塔式起重機(jī)的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　QTZ125(HX6014)塔式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)塔機(jī)）各項(xiàng)性能技術(shù)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)所有同級(jí)別產(chǎn)品中居領(lǐng)地位，優(yōu)點(diǎn)如下：</p><p>　?。?）起重臂最可達(dá)60m，可以根據(jù)不同的需要組合成 60m

38、、56m 、50m 、45m 、40m五種工作臺(tái)幅度，杜絕了以往因障礙物擋礙不能變幅度的問(wèn)題；</p><p>　?。?）塔機(jī)獨(dú)立式起升高度為 46.2m ，當(dāng)施工對(duì)象較高時(shí)，塔機(jī)可采用液壓頂升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增加或減少塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，使塔機(jī)高度能隨著建筑物的高度變化而升高或降低，以適應(yīng)不同建筑物的施工需要，采用增加附著的工作方式，塔機(jī)最大起升高度可達(dá)161m（若用戶需要，經(jīng)特殊處理，塔機(jī)獨(dú)立高度可達(dá)51.2最大附著高度可達(dá)

39、200m）；</p><p>　?。?）該塔機(jī)采用水平臂架，雙起重小車(chē)變幅，吊重懸掛在起重小車(chē)上，靠小車(chē)在臂架上的水平移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變幅，鋼絲繩變化倍率時(shí)可以采用一個(gè)起重小車(chē)，以減輕塔機(jī)自重，提高吊載量，與動(dòng)臂塔機(jī)相比，該機(jī)工作臺(tái)平穩(wěn)，安裝就位方便，幅度范圍大，有利于起重性能的充分發(fā)揮，擴(kuò)大了建筑材料構(gòu)件的堆放范圍，而且便于現(xiàn)場(chǎng)施工總平面圖的設(shè)置，該機(jī)各種安全裝置齊全，設(shè)有起升高度限制器、小車(chē)變幅度限制器、起重力矩限制

40、器、起重量制器、塔機(jī)回轉(zhuǎn)限制器等保護(hù)裝置，各種限位裝置反應(yīng)靈敏、可靠，各機(jī)構(gòu)均設(shè)有制動(dòng)器，保證工作安全可靠，司機(jī)室獨(dú)立側(cè)置，視野好，內(nèi)部空間隔大，給操作者創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，塔機(jī)的電氣控制系統(tǒng)及所有配套件，均為容易購(gòu)置且性能良好的電器元件，安全可靠，使用方便，維修簡(jiǎn)單。</p><p>　　2.3 主要技術(shù)性能表</p><p>　　2.4 主要配套件性能表</p><

41、;p>　　2.5 主要金屬結(jié)構(gòu)件簡(jiǎn)述表</p><p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡(jiǎn)要分析了QTZ125塔式起重機(jī)的工作特點(diǎn)、主要性能參數(shù)、主要配套件參數(shù)及其金屬結(jié)構(gòu)形式，為下一章塔式起重機(jī)臂架模型的建立及其后續(xù)章節(jié)中的分析提供了基礎(chǔ)。</p><p>　　3 塔機(jī)臂架鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)</p&g

42、t;<p><b>　　3.1 分析問(wèn)題</b></p><p>　　建模之前需要考慮以下幾個(gè)細(xì)節(jié)：</p><p>　?。?）ANSYS中沒(méi)有定義單位，在應(yīng)用時(shí)，可以采用國(guó)際單位制。</p><p>　　（2）變幅小車(chē)及吊重可以通過(guò)集中力的形式加載到下弦桿上。</p><p>　?。?）風(fēng)載荷加到關(guān)鍵點(diǎn)上

43、。</p><p>　　（4）吊臂自重通過(guò)慣性力施加。由于吊臂上安裝有其他設(shè)施，故總重比計(jì)算值偏大，這時(shí)需要增大密度來(lái)模擬自重。</p><p>　?。?）劃分網(wǎng)格時(shí)須注意，拉桿采用LINE8單元，其只能承受拉力，所以劃分網(wǎng)格時(shí)，一個(gè)單元只能劃分一段。吊臂采用BEAM188單元，分網(wǎng)格時(shí)可劃分2～3段。</p><p>　?。?）在臂節(jié)連接處，實(shí)際是使用銷(xiāo)軸連接，在

44、模型中進(jìn)行耦合來(lái)模擬銷(xiāo)軸連接。</p><p><b>　　3.2 建立模型</b></p><p>　　吊臂的模型結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只要在笛卡爾坐標(biāo)系中輸入各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，然后將每個(gè)點(diǎn)連成直線即可。在建模前要對(duì)吊臂的形狀有一個(gè)全面的了解，然后列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。下面是QTZ125塔式起重機(jī)吊臂節(jié)點(diǎn)位置。</p><p>　　3.2.1 節(jié)點(diǎn)編號(hào)及

45、坐標(biāo)位置（mm）</p><p>　　在定義的關(guān)鍵點(diǎn)中，吊臂每節(jié)后三個(gè)點(diǎn)和下一節(jié)前三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)相同，用來(lái)進(jìn)行耦合處理。</p><p>　　點(diǎn)擊Main menu >Preprocessor>Modeling>Create>Keypoint>In active CS，進(jìn)入Create keypoints in active coordinate system

46、對(duì)話框。如圖3-1所示：</p><p><b>　　圖3-1 坐標(biāo)輸入</b></p><p>　　對(duì)話框第一行是關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)，如果不輸入，ANSYS會(huì)按照默認(rèn)值自動(dòng)編號(hào)。建議建模時(shí)自己手動(dòng)編號(hào)，方便以后查詢。按上面表格輸入關(guān)鍵點(diǎn)得到如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 臂架關(guān)鍵點(diǎn)</p><p>　　這時(shí)可以

47、打開(kāi)關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)選項(xiàng)，顯示編號(hào)。通用菜單Utility Menu>PlotCtrls>Numbering，如圖3-3所示。打開(kāi)Plot Numbering Controls對(duì)話框，打開(kāi)關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)Keypoint nummber，點(diǎn)OK關(guān)閉該對(duì)話框。如圖3-4所示：</p><p><b>　　圖3-3臂架關(guān)鍵點(diǎn)</b></p><p>　　圖3-4 顯示關(guān)鍵

48、點(diǎn)</p><p>　　打開(kāi)編號(hào)后用戶圖形界面里顯示關(guān)鍵點(diǎn)及其編號(hào)，如圖3-5所示：</p><p>　　圖3-5 顯示關(guān)鍵點(diǎn)</p><p>　　3.2.2 連接關(guān)鍵點(diǎn)成直線</p><p>　　Main menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Stra

49、ight Line進(jìn)入Create Straight Lines對(duì)話框，如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 關(guān)鍵點(diǎn)連接命令</p><p>　　屏幕中出現(xiàn)黑色箭頭時(shí)，依次拾取相鄰關(guān)鍵點(diǎn)，被拾取的點(diǎn)以黃色小方框顯示，使之連成直線，一次只能連接一條直線，點(diǎn)OK關(guān)閉對(duì)話框。若選錯(cuò)或者要放棄已經(jīng)選擇的點(diǎn)，只要點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，這時(shí)黑色箭頭朝下，點(diǎn)要取消的點(diǎn)就可以了，再點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，黑色箭頭恢

50、復(fù)朝上，可以繼續(xù)選取想要的點(diǎn)。直線操作中也是如此。在連接兩點(diǎn)過(guò)程中，如果不顯示關(guān)鍵點(diǎn)只顯示已經(jīng)連接出的直線時(shí)，可以使用Utility Menu>Plot>Keypoint，來(lái)顯示關(guān)鍵點(diǎn)，然后繼續(xù)連接直線。也可以使用Utility Menu>Plot>Lines來(lái)顯示直線。</p><p>　　在臂節(jié)連接處，因?yàn)橛兄睾系年P(guān)鍵點(diǎn)，所以選取時(shí)會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，如圖3-7所示。這個(gè)對(duì)話框是在詢問(wèn)，

51、在重合的兩個(gè)點(diǎn)中，要選擇哪個(gè)點(diǎn)。點(diǎn)NEXT鍵可以在互相重合的兩點(diǎn)間切換，當(dāng)對(duì)話框中Picked Keypoint is XX，是所要選取的點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)擊OK退出。在臂節(jié)連接處有六個(gè)點(diǎn)，六條直線。進(jìn)行耦合后，由于將三個(gè)點(diǎn)的所有自由度都相關(guān)聯(lián)，所以就變成三個(gè)點(diǎn)，三條直線。建議先將所有的上弦桿連出來(lái)，然后將前面一排的下弦桿連出來(lái)，再連后面排的下弦桿，再連接斜桁架的水平腹桿，再連接水平桁架的斜腹桿，最后連接斜桁架的水平腹桿。這個(gè)操作可以保證線單元編

52、號(hào)有序連貫，方便查詢。</p><p>　　注意：在ANSYS中，點(diǎn)屬于直線，要?jiǎng)h除線上的點(diǎn)，必須先刪除這條直線。在連接點(diǎn)時(shí)，不可以跨過(guò)一點(diǎn)連這點(diǎn)兩邊的點(diǎn)，否則此點(diǎn)不在生成的直線上，并且在劃分完網(wǎng)格之后不能再修改模型，比如添加或刪除關(guān)鍵點(diǎn)或直線。</p><p>　　圖3-7 重合顯示命令</p><p>　　還需注意的是，變幅小車(chē)以集中載荷的方式作用在下弦桿上，為

53、方便以后加載，在建立模型時(shí)就考慮小車(chē)加載的位置，創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，將小車(chē)作用點(diǎn)也創(chuàng)建成關(guān)鍵點(diǎn)，加載時(shí)就可以將吊重及小車(chē)自重施加到相應(yīng)位置上，因此，在關(guān)鍵點(diǎn)列表中，我將小車(chē)所在幾個(gè)特殊位置全創(chuàng)建了關(guān)鍵點(diǎn)，這樣的模型可以計(jì)算多種工況。連接成直線后如圖3-8所示：</p><p><b>　　圖3-8 線模型</b></p><p>　　在ANSYS中用耦合來(lái)模擬實(shí)際吊臂節(jié)與節(jié)

54、之間的鉸接。在模型創(chuàng)建完成后，將接頭處的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行耦合。Main menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Glue>Lines，此時(shí)會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，如圖3-9所示。選取需要耦合點(diǎn)所在的所有直線，然后點(diǎn)擊OK即可（這個(gè)操作必須在模型創(chuàng)建完成之后，劃分網(wǎng)格之前）。</p><p><b>　　圖3-9 耦合命令</b></p&g

55、t;<p>　　3.2.3 定義單元類(lèi)型</p><p>　　選擇單元類(lèi)型：臂架BEAM188，拉桿LINK8。如圖3-10所示：點(diǎn)擊Main menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，進(jìn)入Element Type對(duì)話框，點(diǎn)擊Add按鈕，彈出Library of Element Type對(duì)話框，該對(duì)話框共有4個(gè)窗口。在左邊窗口中選

56、擇BEAM，右邊窗口中選擇2 node 188，左下方是所選單元類(lèi)型編號(hào)為1。ANSYS會(huì)自動(dòng)默認(rèn)向下排號(hào)。在劃分網(wǎng)格選擇材料時(shí)會(huì)用到，所以必須記住所定義的單元類(lèi)型編號(hào)。選擇第一個(gè)單元后，點(diǎn)擊Apply按鈕，開(kāi)始選擇第二個(gè)單元，左邊窗口選擇Link，右邊窗口選擇spar 8，單元類(lèi)型編號(hào)為2。如圖3-11所示，點(diǎn)擊OK關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖3-10 定義單元類(lèi)型</p><p&

57、gt;　　圖3-11 選擇單元類(lèi)型</p><p>　　3.2.4 定義實(shí)常數(shù)</p><p>　　BEAM188單元不需要定義實(shí)常數(shù)。LINK8單元需要輸入實(shí)常數(shù)橫截面積，拉桿材料為48號(hào)圓鋼，橫截面積為1810。點(diǎn)擊Main menu> Preprocessor>Real Constant>Add/Edit/Delete，進(jìn)入Real Constant（圖3-13）對(duì)

58、話框，如圖3-12所示。點(diǎn)擊Add按鈕，彈出Element Type of Real Constant對(duì)話框，如圖3-14所示，點(diǎn)LINK8使之變成藍(lán)色，點(diǎn)擊OK，彈出Real Constant Set Number1 for LINK8對(duì)話框，如圖3-15所示，在AREA欄中填拉桿的橫截面積。</p><p>　　圖3-12 添加單元實(shí)常數(shù)</p><p>　　圖3-13添加單元實(shí)常數(shù)

59、 圖3-14添加單元實(shí)常數(shù)</p><p>　　3.2.5 定義材料特性</p><p>　　點(diǎn)擊Main menu> Preprocessor>Material Models，彈出Define Material Model Behavior對(duì)話框，這是一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，如圖3-16所示，雙擊Structutal>Linear>Elastic>Isotrop

60、ic，彈出Linear Isotropic Properties for Material Models Behavior對(duì)話框，如圖3-17所示。EX是楊氏彈性模量210000，PRXY是泊松比0.3。ANSYS中會(huì)自動(dòng)對(duì)所定義的材料特性進(jìn)行編號(hào)，在左邊窗口顯示剛才定義的材料特性編號(hào)1。由于在前面的幾步中，我們都將BEAM188相關(guān)編號(hào)選擇</p><p>　　圖3-16 定義梁材料特性</p>

61、<p>　　圖3-17 定義梁楊氏彈性模量和泊松比</p><p>　　為1，因此在材料特性中也將為BEAM188的特性編號(hào)定義為1。然后回到Define Material Model Behavior對(duì)話框，雙擊Structutal> Density，彈出Density for Material Number1對(duì)話框，輸入密度7.8E-6。如圖3-18所示。這時(shí)就完成了對(duì)編號(hào)為1的BEAM188

62、單元材料特性的定義。</p><p>　　圖3-18 定義梁密度</p><p>　　再點(diǎn)擊Define Material Model Behavior對(duì)話框工具欄上的Material標(biāo)簽，在下拉菜單中點(diǎn)擊New Model，如圖3-19所示。彈出Define Material ID對(duì)話框，輸入材料特性的ID即編號(hào)為2，如圖2-20所示。定義LINK8單元的特性。過(guò)程與上述相同，輸入楊氏彈

63、性模量210000，泊松比0.3，密度7.86e-6。</p><p>　　圖3-19 添加新材料特性</p><p>　　圖3-20 將材料模型定為2</p><p>　　3.2.6 定義截面特性</p><p>　　吊臂使用的是BEAM188單元，不需要輸入實(shí)常數(shù)，但要求定義截面形狀。下表為QTZ125塔式起重機(jī)吊臂每節(jié)鋼材型號(hào)。<

64、/p><p>　　臂架參數(shù)（單位:mm）</p><p>　　點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Sections>Beam>Common Section，彈出對(duì)話框Beam Tool，定義梁截面工具，如圖3-21。</p><p>　　圖3-21 定義截面特性</p><p>　　ID為截面編號(hào)，在臂架參數(shù)

65、表格中已經(jīng)排列出順序。Sub-Type是一個(gè)下拉框，在下拉框中可以選擇截面形狀。Offset To是偏移梁的位置，也是一個(gè)下拉框，在下拉框中可以選擇偏移對(duì)象。按圖3-21依次對(duì)截面進(jìn)行定義。</p><p>　　3.2.7 劃分網(wǎng)格</p><p>　　劃分網(wǎng)格是整個(gè)建模過(guò)程中最復(fù)雜，耗時(shí)最長(zhǎng)的工作。它與前面定義的單元類(lèi)型編號(hào)，實(shí)常數(shù)編號(hào)，材料特性編號(hào)都有關(guān)系。打開(kāi)劃分網(wǎng)格工具M(jìn)ain m

66、enu> Preprocessor>Meshing>Mesh Tool，彈出Mesh Tool對(duì)話框，如圖3-22所示：</p><p>　　圖3-22 劃分網(wǎng)格工具</p><p>　　圖3-23 選擇線命令框</p><p>　?。?）Mesh Tool對(duì)話框中如圖3-23，最上面Element Atrributes是一個(gè)下拉列表，在這里可以選

67、擇要?jiǎng)澐謱?duì)象的類(lèi)型，選擇Line，然后點(diǎn)擊旁邊的Set按鈕，會(huì)彈出一個(gè)Line Atrributes窗口，提示你選擇要定義屬性的線單元。鼠標(biāo)變成黑色箭頭，在用戶圖形界面窗口中拾取要定義的線，然后點(diǎn)擊這個(gè)窗口中的OK，彈出一個(gè)窗口，如圖3-24所示。</p><p>　　圖3-24 選擇劃分對(duì)象的類(lèi)型</p><p>　　在Material number下拉列表框中選擇所選中的線的材料特性編

68、號(hào)，在前一步選取直線時(shí)，選擇吊臂上的線時(shí)選材料編號(hào)為1，選擇兩條拉桿時(shí)，選擇材料編號(hào)為2。在Real constant set number下拉列表框中選擇所選中線的實(shí)常數(shù)編號(hào)，這個(gè)對(duì)于BEAM188單元沒(méi)有意義，所以可以不選，它也不會(huì)影響B(tài)EAM單元的性質(zhì)。在Element type number下拉列表框中選擇單元類(lèi)型編號(hào)，有兩種，1號(hào)為BEAM188，2號(hào)為L(zhǎng)INK8，一定要注意單元類(lèi)型的選擇，而且該項(xiàng)必須選。在Element s

69、ection下拉列表中選擇選中線的梁?jiǎn)卧慕孛嫣匦?，這只是在劃分吊臂即BEAM188單元的網(wǎng)格時(shí)用到，劃分拉桿LINK8單元的網(wǎng)格時(shí)不需要選擇。選擇完成之后點(diǎn)OK。</p><p>　?。?）再打開(kāi)Mesh Tool對(duì)話框，選擇中間部分Size Controls中，Lines欄中的Set按鈕，彈出Element Size on Lines對(duì)話框，這時(shí)鼠標(biāo)變成黑色箭頭，將上一步中已經(jīng)選取過(guò)的線再選一遍，點(diǎn)OK，彈出

70、Element Size on Picked Lines對(duì)話框，如圖3-25所示。這個(gè)對(duì)話框的功能是定義所選的線分網(wǎng)密度，BEAM188單元可以劃分2～3段，LINK8單元只能劃分一段，因?yàn)檫@個(gè)單元只承受拉力。在對(duì)話框的第二項(xiàng)No. of element divisions中輸入2。然后點(diǎn)OK關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　圖3-25 劃分網(wǎng)格數(shù)</p><p>　　（3）再打開(kāi)Mesh

71、 Tool工具欄，點(diǎn)mesh按鈕，彈出mesh line對(duì)話框如圖3-26所示。鼠標(biāo)變?yōu)楹谏^。選取前兩步所選擇的直線，點(diǎn)OK，關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖3-26 劃分網(wǎng)格</p><p>　　經(jīng)過(guò)三步完成對(duì)一條直線的分網(wǎng)過(guò)程，這時(shí)打開(kāi)單元顯示，就能看見(jiàn)所定義的BEAM188單元梁的實(shí)體外形。重復(fù)這三步，直到將整個(gè)模型劃分完畢，需要時(shí)間比較長(zhǎng)。對(duì)于單元類(lèi)型、實(shí)常數(shù)、材料特性等

72、編號(hào)相同的直線可以一次性選取，然后重復(fù)進(jìn)行上述三步操作。</p><p>　　但開(kāi)單元顯示，查看劃分完網(wǎng)格后模型狀態(tài)。Utility Menu>PlotCtrls>Style>Size and Shape…，彈出Size and Shape對(duì)話框，如圖3-27，將Display of element shapes based on real constant descriptions開(kāi)關(guān)打開(kāi)，如

73、圖：</p><p>　　圖3-27 顯示三維實(shí)體模型</p><p>　　點(diǎn)OK關(guān)閉。然后Utility Menu>Plot> elements，如圖3-28所示。這時(shí)就會(huì)顯示實(shí)體模型。</p><p>　　圖3-28 三維實(shí)體模型</p><p><b>　　第一節(jié)臂架實(shí)體模型</b></p>

74、<p>　　圖3-29 臂架根部實(shí)體模型</p><p>　　臂端結(jié)構(gòu)如圖3-30所示。</p><p>　　圖3-30 臂架端部實(shí)體模型</p><p>　　節(jié)與節(jié)之間的連接處實(shí)際上用的是耳板連接，在ANSYS模型中通過(guò)耦合來(lái)模擬實(shí)際中的鉸接，如圖3-31所示。</p><p>　　圖3-31 臂架連接處實(shí)體模型</p&

75、gt;<p>　　下弦桿在截面變化處的銜接，如圖3-32。</p><p>　　圖3-32下弦桿臂架連接處實(shí)體模型</p><p>　　3.2.8 定義約束</p><p>　　在實(shí)際情況中，吊臂的上鉸點(diǎn)通過(guò)銷(xiāo)軸連接到塔身，可以繞Z軸旋轉(zhuǎn)。拉桿固定在塔頂。因此，對(duì)拉桿是全約束，6個(gè)自由度；對(duì)吊臂上鉸點(diǎn)約束5個(gè)自由度。點(diǎn)擊Main Menu>Sol

76、ution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Keypoints，彈出Apply，U，ROT on KPs對(duì)話框，如圖3-29所示。</p><p>　　圖3-29 定義約束</p><p>　　鼠標(biāo)變成黑色箭頭，在圖形窗口中拾取拉桿一端，獲知在對(duì)話框中輸入拾取關(guān)鍵點(diǎn)的編號(hào)，點(diǎn)OK。彈出ApplyU，R

77、OT，on KPs對(duì)話框，選擇ALL DOF。如圖3-30所示。</p><p>　　圖3-30 施加拉桿約束</p><p>　　點(diǎn)Apply，以相同的方法對(duì)吊臂上鉸點(diǎn)進(jìn)行約束。如2-31所示。</p><p>　　圖3-31 定義臂架上鉸點(diǎn)約束</p><p>　　3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述</p><p>　　3.3.

78、1 優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹</p><p>　　優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出（如質(zhì)量，面積，體積，應(yīng)力，費(fèi)用等）最小。也就是說(shuō)，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)最有效的方案。</p><p>　　設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如說(shuō)：尺寸（如厚度）、形狀（如過(guò)渡圓角的大?。挝恢?，制造費(fèi)用，自然頻率，材料特性等。實(shí)際上，

79、所有可以參數(shù)化的ANSYS選項(xiàng)都可以作優(yōu)化設(shè)計(jì)。ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法，這兩種方法可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。零階方法是一個(gè)很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數(shù)工程問(wèn)題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。</p><p>　　對(duì)于這兩種方法，ANSYS程序提供了一系列的分析-評(píng)估-修正的循環(huán)過(guò)程。就是對(duì)于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)分析結(jié)果就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然后修正

80、設(shè)計(jì)。這一循環(huán)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。</p><p>　　除了這兩種優(yōu)化方法，ANSYS程序還提供了一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過(guò)程的效率。例如，隨機(jī)優(yōu)化分析的迭代次數(shù)是可以指定的。隨機(jī)計(jì)算結(jié)果的初始值可以作為優(yōu)化過(guò)程的起點(diǎn)數(shù)值。</p><p>　　3.3.2 優(yōu)化中的基本概念</p><p>　　在介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程之前，先給出一些基本的定義：設(shè)

81、計(jì)變量，狀態(tài)變量，目標(biāo)函數(shù)，合理和不合理的設(shè)計(jì)，分析文件，迭代，循環(huán)，設(shè)計(jì)序列等。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)變量（DVs）為自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)變量的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)設(shè)計(jì)變量都有上下限，它定義了設(shè)計(jì)變量的變化范圍。</p><p>　　（2）狀態(tài)變量（SVs）是約束設(shè)計(jì)的數(shù)值。它們是“因變量”，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。狀態(tài)變量可能會(huì)有上下限，也可能只有單方面的限制，即只

82、有上限或者下限。</p><p>　?。?）目標(biāo)函數(shù)（OBJ）是要盡量減小的數(shù)值。它必須是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，也就是說(shuō)，改變?cè)O(shè)計(jì)變量的數(shù)值將改變目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值。在ANSYS優(yōu)化程序中，只能設(shè)定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。</p><p>　　（4）設(shè)計(jì)變量，狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)總稱(chēng)為優(yōu)化變量。在ANSYS優(yōu)化中，這些變量由用戶定義的參數(shù)來(lái)指定。必須指出在參數(shù)集中哪些是設(shè)計(jì)變量，哪些是狀態(tài)變量，哪些是目標(biāo)函數(shù)。

83、</p><p>　?。?）一個(gè)合理的設(shè)是指滿足所有給定的約束條件的設(shè)計(jì)。如果其中任何任何一個(gè)約束條件不被滿足，設(shè)計(jì)就被認(rèn)為是不合理的。而最優(yōu)設(shè)計(jì)是既滿足所有的約束條件又能得到最小目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)（如果所有的設(shè)計(jì)序列都是不合理的，那么最優(yōu)設(shè)計(jì)是最接近合理的設(shè)計(jì)，而不考慮目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值）。</p><p>　?。?）分析文件是一個(gè)ANSYS的命令流輸入文件，包括一個(gè)完整的分析過(guò)程（前處理，求解

84、，后處理）。它必須包含一個(gè)參數(shù)化的模型，用參數(shù)定義模型并指出設(shè)計(jì)變量，狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。由這個(gè)文件可以自動(dòng)生成優(yōu)化循環(huán)文件（Jobname.LOOP），并在優(yōu)化計(jì)算中循環(huán)處理。</p><p>　　（7）一次循環(huán)指一個(gè)分析周期（可以理解為執(zhí)行一次分析文件）。最后一次循環(huán)的輸出存儲(chǔ)在文件Jobname.OPT中。優(yōu)化迭代（或僅僅是迭代過(guò)程）是產(chǎn)生新的優(yōu)化序列的一次或多次分析循環(huán)。一般來(lái)說(shuō)，一次迭代等同于一次循環(huán)。

85、但對(duì)于一階方法，一次迭代代表多次循環(huán)。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)序列是指確定一個(gè)特定模型的參數(shù)的集合。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)系列由優(yōu)化變量的數(shù)值來(lái)確定，但所有的模型參數(shù)（包括不是優(yōu)化變量參數(shù)）組成一個(gè)設(shè)計(jì)系列。</p><p>　　優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)記錄當(dāng)前的優(yōu)化環(huán)境，包括優(yōu)化變量的定義，參數(shù)，所有優(yōu)化設(shè)定，和設(shè)計(jì)系列集合。該數(shù)據(jù)庫(kù)可以存儲(chǔ)（在文件Jobname.OPT），也可以隨時(shí)讀入優(yōu)化處理器中

86、。</p><p>　　分析文件必須作為一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體存在，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)不是ANSYS模型數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分。</p><p>　　共有兩種方法實(shí)現(xiàn)ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)：批處理方法和通過(guò)GUI交互式地完成。</p><p>　　3.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟</p><p>　　優(yōu)化設(shè)計(jì)通常包括以下幾個(gè)步驟，這些步驟根據(jù)所選用優(yōu)化方法的不同（批處理方式）

87、而略微有些差別。</p><p>　　其中生成循環(huán)所用的分析文件必須包括整個(gè)分析的過(guò)程，而且必須滿足以下條件：</p><p>　　(1)參數(shù)化建立模型（PREP7）。</p><p>　　(2)求解（SOLUTION）。</p><p>　　(3)提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)（POST1/POST26）。</p><p&

88、gt;　　(4)在ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)里建立與分析文件中變量相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。這一步是標(biāo)準(zhǔn)的做法，但不是必須的（BEGIN或OPT）。</p><p>　　(5)進(jìn)入OPT，指定分析文件（OPT）。</p><p>　　(6)聲明優(yōu)化變量。</p><p>　　(7)選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法。</p><p>　　(8)指定優(yōu)化循環(huán)控制方式。</

89、p><p>　　(9)進(jìn)行優(yōu)化分析。</p><p>　　(10)查看設(shè)計(jì)序列結(jié)果（OPT）和后處理（POST1/POST26）。</p><p>　　下面具體介紹一下優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。</p><p><b>　　1.分析文件的生成</b></p><p>　　分析文件生成是ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的

90、關(guān)鍵部分。ANSYS程序運(yùn)用分析文件構(gòu)造循環(huán)文件，進(jìn)行循環(huán)分析。分析文件中可以包括ANSYS提供的任意分析類(lèi)型（結(jié)構(gòu)，熱，電磁等，線性或者非線性）。</p><p>　　在分析文件中，模型的建立必須是參數(shù)化的（通常是優(yōu)化變量為參數(shù)），結(jié)果也必須是參數(shù)來(lái)提取（用于狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)）。優(yōu)化設(shè)計(jì)中只能使用數(shù)值參數(shù)。</p><p>　　建立分析文件有兩種方法：用系統(tǒng)編輯器逐行輸入；交互式地完成

91、分析，將ANSYS的LOG文件作為基礎(chǔ)建立分析文件。不論采用哪種方法，分析文件需要包括的內(nèi)容都是一樣的。</p><p>　?。?）參數(shù)化建模。用設(shè)計(jì)變量作為參數(shù)建立模型的工作是在PREP7中完成的。前面提到，可以對(duì)設(shè)計(jì)的任何方面進(jìn)行優(yōu)化：尺寸、形狀、材料性質(zhì)、支撐位置、所加載荷等，唯一要求就是將其參數(shù)化。</p><p>　　設(shè)計(jì)變量可以在程序中的任何部分初始化，一般是在PREP7中定義

92、。這些變量的初值只是在設(shè)計(jì)計(jì)算的開(kāi)始用得到，在優(yōu)化循環(huán)過(guò)程中會(huì)被改變。</p><p>　　（2）求解。求解器用于定義分析類(lèi)型和分析選項(xiàng)，施加載荷，指定載荷步，完成有限元計(jì)算。分析中所用到的數(shù)據(jù)都要指出：凝聚法分析中的主自由度，非線性分析中的收斂準(zhǔn)則，諧波分析中的頻率范圍等。載荷和邊界條件也可以作為設(shè)計(jì)變量。</p><p>　?。?）參數(shù)化提取結(jié)果。在本步中，提取結(jié)果并賦值給相應(yīng)的參數(shù)。

93、這些參數(shù)一般為狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。提取數(shù)據(jù)的操作用*GET命令實(shí)現(xiàn)。通常用POST1來(lái)完成本步操作，特別涉及到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，加減或其他操作。</p><p>　?。?）分析文件準(zhǔn)備。到此為止，已經(jīng)對(duì)于分析文件的基本需求做了說(shuō)明。如果是用系統(tǒng)編輯器來(lái)編輯的批文件處理，那么簡(jiǎn)單地存盤(pán)進(jìn)入第二步即可。如果是用交互方式建模的話，用戶必須在交互環(huán)境下生成分析文件。</p><p>　　2、建立優(yōu)化過(guò)程

94、中的參數(shù)</p><p>　　在完成了分析文件的建立以后，就可以開(kāi)始優(yōu)化分析了。（如果是在系統(tǒng)中建立的分析文件的話，就需要重新進(jìn)入ANSYS。）如果交互式下進(jìn)行優(yōu)化，最好（但不是必須）從分析文件中建立參數(shù)到ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)中，在批處理方式下除外。</p><p>　　3、進(jìn)入OPT，指定分析分件（OPT）</p><p>　　一下步驟是有OPT處理器來(lái)完成的。首次進(jìn)

95、入優(yōu)化處理器時(shí)，ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)中所有參數(shù)自動(dòng)作為設(shè)計(jì)序列1.這些參數(shù)值假定是一個(gè)設(shè)計(jì)序列。</p><p>　　在交互方式下，用戶必須指定分析文件名。這個(gè)文件用于生成優(yōu)化循環(huán)文件Jobname.LOOP。分析文件名無(wú)默認(rèn)值，因此必須輸入。</p><p>　　在批處理方式下，分析文件通常是批命令流的第一部分，從文件的第一行到命令/OPT第一次出現(xiàn)。在批處理方式中，默認(rèn)的分析文件名是Job

96、name.BAT（它是一個(gè)臨時(shí)性文件，是批處理輸入文件的一個(gè)復(fù)制）。因此，在批處理方式下通常不用指定分析文件名。但是，如果處于某種考慮將批文件分成兩部分（一個(gè)用于分析，一個(gè)用于整個(gè)優(yōu)化分析），那么就必須在進(jìn)入優(yōu)化處理器后指定分析文件。</p><p><b>　　4、聲明優(yōu)化變量</b></p><p>　　下一步是聲明優(yōu)化變量，即指定哪些參數(shù)是設(shè)計(jì)變量，哪些是狀態(tài)變

97、量，哪個(gè)是目標(biāo)函數(shù)。允許有不超過(guò)60個(gè)設(shè)計(jì)變量和不超過(guò)100個(gè)狀態(tài)變量，但只能有一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。</p><p>　　對(duì)于設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量可以定義最大和最小值。目標(biāo)函數(shù)不需要給定范圍。每一個(gè)變量有一個(gè)公差值，這個(gè)公差值可以有用戶輸入，也可以自己選擇有程序計(jì)算得出。</p><p>　　5、選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法</p><p>　　ANSYS程序提供了一些優(yōu)化工具和

98、方法。默認(rèn)方法是單次循環(huán)。</p><p>　　優(yōu)化方法是使單個(gè)函數(shù)在控制條件下達(dá)到最小值的傳統(tǒng)化的方法。有兩種方法是可用的：零階方法和一階方法。除此之外，用戶可以提供外部?jī)?yōu)化算法替代ANSYS本身的優(yōu)化方法。使用其中任何一種方法之前，必須先定義目標(biāo)函數(shù)。</p><p>　　優(yōu)化工具是搜索和處理設(shè)計(jì)空間的技術(shù)。因?yàn)榍笞钚≈挡灰欢ㄊ莾?yōu)化的最終目標(biāo)，所以目標(biāo)函數(shù)在使用優(yōu)化工具時(shí)可以不指出。但

99、是，必須指定設(shè)計(jì)變量。</p><p>　　6、指定優(yōu)化循環(huán)控制方式</p><p>　　每種優(yōu)化方法和工具都有相應(yīng)的循環(huán)控制參數(shù)，比如最大迭代次數(shù)等。</p><p><b>　　7、進(jìn)行優(yōu)化分析</b></p><p>　　在執(zhí)行時(shí)，優(yōu)化循環(huán)文件（Jobname.LOOP）會(huì)根據(jù)分析文件生成。這個(gè)循環(huán)文件對(duì)用戶是透明

100、的，并在分析循環(huán)中使用。循環(huán)滿足下列情況時(shí)終止：收斂；中斷（不收斂，但最大循環(huán)次數(shù)或最大不合理解的數(shù)目達(dá)到了）；分析完成。</p><p>　　如果循環(huán)是由于模型的問(wèn)題（如網(wǎng)格劃分有問(wèn)題，非線性求解不收斂，與設(shè)計(jì)變量數(shù)值沖突等）中斷時(shí)，優(yōu)化處理器將進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。如果是在交互方式下，程序?qū)@示一個(gè)警告信息并詢問(wèn)你是繼續(xù)還是結(jié)束循環(huán)。如果是在批處理方式下，循環(huán)將自動(dòng)繼續(xù)。</p><p>　

101、　所有優(yōu)化變量和其他參數(shù)在每次迭代后將存儲(chǔ)在優(yōu)化數(shù)據(jù)文件（Jobname.OPT）中，最多可以存儲(chǔ)130組這樣的序列。如果已經(jīng)達(dá)到了130個(gè)序列，那么其中數(shù)據(jù)“最不好”的序列將被刪除。</p><p>　　8、查看設(shè)計(jì)序列結(jié)果</p><p>　　用圖顯示指定參數(shù)隨序列號(hào)的變化，可以看出變量是如何隨迭代過(guò)程變化的。</p><p>　　除了查看優(yōu)化數(shù)據(jù)，用戶希望用P

102、OST1或POST26對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行后處理。默認(rèn)情況下，最后一個(gè)設(shè)計(jì)序列的結(jié)果存儲(chǔ)在文件Jobname.RST中。如果在循環(huán)運(yùn)行前將OPKEEP設(shè)為ON，最佳設(shè)計(jì)序列的數(shù)據(jù)也將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件中?！白罴呀Y(jié)果”在文件Jobname.BRST中，“最佳數(shù)據(jù)庫(kù)”在文件Jobname.BDB中。</p><p>　　3.4 優(yōu)化方案概述</p><p>　　本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其約束條件為強(qiáng)

103、度約束和撓度約束。又由于本文優(yōu)化的目的是使結(jié)構(gòu)自重最輕，因此新優(yōu)化模型可以描述為，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的條件下使結(jié)構(gòu)自重達(dá)到最輕。即:</p><p>　　3.4.1 設(shè)計(jì)變量</p><p>　　塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的滿外尺寸或其它型心尺寸一般都是在方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定好，這些尺寸要么來(lái)源于用戶要求，要么源自于運(yùn)輸要求，因此都要標(biāo)準(zhǔn)化，不作為優(yōu)化變量。</p><p>　　對(duì)

104、于鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)變量一般為梁的高度、寬度等等，或者為鋼管的直徑、厚度等等。</p><p>　　本文提出的新優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變量為結(jié)構(gòu)中上下弦桿截面厚度或者為鋼管的厚度，即:</p><p><b>　　。</b></p><p>　　—臂架第一和第二節(jié)上弦桿的內(nèi)圓半徑；</p><p>　　—臂架第一和第二節(jié)下弦桿的

105、截面厚度；</p><p>　　—臂架第三、四、五節(jié)上弦桿截面內(nèi)圓半徑；</p><p>　　、—臂架第三、四、五節(jié)下弦桿截面厚度；</p><p>　　—臂架第六、七節(jié)上弦桿截面內(nèi)圓半徑；</p><p>　　、—臂架第六、七節(jié)下弦桿截面厚度。</p><p>　　3.4.2 狀態(tài)變量</p><

106、p><b>　?、俚刃?yīng)力。</b></p><p>　　其約束條件為，這是強(qiáng)度約束，指的是每個(gè)梁?jiǎn)卧淖畲髴?yīng)力，即： </p><p><b>　?、趽隙?lt;/b></p><p><b>　　其約束條件為：</b></p><p><b>　　這是剛度約束。&

107、lt;/b></p><p><b>　　3.5 載荷的計(jì)算</b></p><p>　　吊臂上作用的載荷有自重載荷、起升載荷、風(fēng)載荷和水平慣性載荷。風(fēng)載荷是作用在臂架上的風(fēng)載荷和作用在重物上的風(fēng)載荷的總和，根據(jù)小車(chē)在不同位置，吊重不同，作用在重物上的風(fēng)載荷也不同。</p><p>　　3.5.1 自重載荷</p><

108、p>　　自重載荷指除起升載荷外起重機(jī)各部分的總重量（不是質(zhì)量，在此以N計(jì)），它包括結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、電氣設(shè)備、以及附設(shè)在起重機(jī)上的存?zhèn)}等的重力。自重載荷屬于慣性載荷，通過(guò)前面已經(jīng)定義的密度，再定義重力加速度即可計(jì)算自重。</p><p>　　3.5.2 起升載荷</p><p>　　起升載荷指起升質(zhì)量的重力（以N計(jì)），起升質(zhì)量包括允許起升的最大有效物品、取物裝置（下滑輪組、吊鉤、吊梁、抓斗

109、、容器、其重電磁鐵等）、懸掛撓性件及其它在升降中的設(shè)備質(zhì)量。</p><p>　　起升動(dòng)載系數(shù)。起升質(zhì)量離地起升或下降制動(dòng)時(shí)，對(duì)承載結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生附加的動(dòng)載荷作用。在考慮這種工作情況的載荷組合時(shí)，應(yīng)將起升載荷乘以大于1的起升載荷動(dòng)載系數(shù)。在此取=1.25。</p><p>　　起升載荷是吊重質(zhì)量乘以動(dòng)載系數(shù)、小車(chē)、吊鉤的質(zhì)量總和（乘以9.8），通過(guò)起重特性曲線求出在56m處的吊重，然

110、后加上小車(chē)和吊鉤的質(zhì)量形成集中載荷，作用在下弦桿上。</p><p>　　按移動(dòng)載荷對(duì)上鉸點(diǎn)的力矩值分析計(jì)算起重特性曲線（采用機(jī)械式力矩限制器）。</p><p>　　標(biāo)定：56m處起重量為2050kg，即</p><p>　　考慮小車(chē)質(zhì)量，吊具質(zhì)量，則這一幅度的活動(dòng)載荷對(duì)上鉸點(diǎn)的力矩為。由于力矩限制器的作用，在其他幅度時(shí)，對(duì)上鉸點(diǎn)的力矩也應(yīng)為。</p>

111、<p>　　所以，由此得起重特性方程為：</p><p>　　式中：—起重機(jī)額定起重量，</p><p><b>　　—標(biāo)定起重力矩，</b></p><p><b>　　—小車(chē)質(zhì)量，</b></p><p><b>　　—吊鉤質(zhì)量</b></p>

112、<p><b>　　—基本臂最大幅度，</b></p><p>　　—上鉸點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離，</p><p>　　—所能達(dá)到的最大幅度。</p><p><b>　　在R=56m處：</b></p><p>　　則作用到下弦桿的集中力為</p><p>　　分布在