起重机伸缩吊臂截面优化设计

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1、设　计　开　发综合篇起重机伸缩吊臂截面优化设计纪爱敏1，罗衍领2（1.河海大学，江苏常州213022；2.徐州工程机械集团公司研究院，江苏徐州221004）［摘　要］以ANSYS软件为工具，以QAY125型起重机伸缩吊臂为例，给出了其截面的优化设计过程，为吊臂的优化设计提供了一种新的思路。［关键词］起重机；伸缩吊臂；截面；优化设计；ANSYS［中图分类号］TH213.6［文献标识码］B［文章编号］1001-1366(2006)03-0017-04SectionaloptimaldesignoftelescopicboomofcraneJIAi-

2、min,LUOYan-ling设定应力和位移为状态变量，控制应力和位移的1　前言大小以达到吊臂的强度和刚度要求。目标函数为伸缩吊臂是轮式起重机中至关重要的部件，吊臂的重量，最终使重量最轻。而对于吊臂而言，其重量一般占整机的13%～20%，而大型起重机计算应力、变形的精确模型应为有限元模型[1]，即这个比例则更大，这就导致起重机在大幅度下的需要建立参数化有限元分析模型。由于优化过程起重量和大起重量下的起升高度急剧降低。因此，是不断在设计域内进行搜索以寻求最优解，这样在满足各项设计指标的前提下，采用优化设计，有限元分析过程就得反复进行，亦即有限元分

3、析尽可能降低吊臂自重，尤其对大吨位起重机具有的整个过程是作为优化设计中的一个文件，并进十分重要的意义。一步生成优化循环文件，以便优化过程反复调用，本文讨论伸缩吊臂的优化问题，为保证优化若是有限元模型较大，则分析时间长，优化迭代设计的可靠性，采用功能强大、技术非常成熟的时间也就很长。大型商用有限元软件ANSYS为工具，以徐工集考虑到QAY125伸缩吊臂截面尺寸大且很长团徐州重型机械制造有限公司生产的QAY125型（节数为5节臂，全伸臂为50m），因而有限元模全地面起重机的伸缩吊臂为例探讨吊臂截面的优型大（节点数超过4万，单元数近4万）、计算量化设

4、计方法。大。有限元计算1次约需15min[2]，若优化迭代40次，则将近10h。这样，在优化设计过程中，就2吊臂优化设计方案不宜用QAY125伸缩吊臂有限元分析过程作为优在ANSYS环境下进行优化设计，存在设计化分析文件。为此，我们选择吊臂的截面特性作变量、状态变量及目标函数三类变量。由于吊臂为状态变量，通过控制截面特性（截面惯性矩及的长度是由起重机作业范围确定的，不能改变，截面抗弯模量）下限取值，来基本满足吊臂应力优化设计变量应是截面参数，即截面形状和壁厚及变形的许用要求；而由受压边的边长上限和厚参数。因而吊臂的优化设计归结为其截面的参数度下

5、限取值来基本保证局部稳定性要求。目标函优化设计问题。状态变量制约设计变量的取值，数为吊臂重量，由于可假定吊臂材料的密度均匀是设计变量的函数，而对状态变量的约束则构成且吊臂长度不变，故用其截面面积作为目标函数。了约束方程。吊臂设计中，为保证强度、刚度，可优化设计结束后，对所得截面尺寸的吊臂再用有建筑机械化　2006(03)17设　计　开　发综合篇限元法精确校核吊臂的强度、刚度及局部稳定性。3.1基本臂截面的优化设计若这些条件不满足，则需调整设计变量的上、下作为吊臂来说,总希望在不发生局部失稳的限，再运行上述优化过程，直至满足要求。优化前提下,壁厚

6、设计得薄一点，截面设计大一些。设计及有限元校核流程图如图1所示。采用这样但由于受整机尺寸的限制，吊臂外形尺寸不能增的优化方法就避免了将有限元分析过程作为优化大，因而只能在截面总高和总宽保持不变的条件分析文件带来计算量很大、运行时间长的缺点。下进行截面的优化。而由QAY125伸缩吊臂在全缩工况下的有限元分析可知[2]，基本臂下底边在变幅支座附近的应力为535MPa，此应力值接近许用应力值（［s］＝620MPa），可见通过减小壁厚减轻重量的余量并不是很大，故没有必要将吊臂厚度作为设计变量，可以凭设计经验适当减小其壁厚。考虑到最大应力点出现在吊臂下底

7、板受压处，所以，我们在作优化设计之前，将上盖板部分的壁厚减小1mm，即由7mm减为6mm，而下部分的板厚保持不变。但这样必然导致截面的惯性矩和抗弯模量减小，故需要对吊臂的下部分尺寸进行优化。其优化模型图见图2。图1　吊臂优化设计流程图具体到每节臂的优化设计问题,我们考虑两个非常重要的工况：基本臂工况和全伸臂工况。由基本臂工况通过优化设计确定基本臂截面尺寸和壁厚，并由各节臂之间的间隙确定其余各节臂的截面尺寸，然后再由全伸臂工况确定其它节臂的壁厚。图2　基本臂截面优化设计模型图3伸缩吊臂优化设计过程设计变量：以L1、L2、a、b为设计变量，变QAY

8、125伸缩吊臂结构特点是截面为大圆角量L3、L4可根据图中几何关系由设计变量表示十二边形（下盖板为11个边），具有较好的稳定出来。L1上限值按局部稳定