基于ANSYS Workbench的内门架优化设计

孟 琨, 刘晓立，于治福, 范进桢, 张 松

(1.河北工程大学 机电学院， 河北 邯郸 056038； 2.宁波职业技术学院， 浙江 宁波 315800)

1内门架三维模型的建立

起吊设备内门架主要由立柱、上横梁、下横梁、滚轮轴及顶块组成。本文采用Solidworks软件对内门架进行三维参数化建模，建模过程忽略对分析结果影响很小的倒角，以减少分析时的计算量，节约时间[3]。设定的尺寸参数为立柱腹板高度一半DSD1，立柱翼缘板宽度DSD2，立柱翼缘板厚度 DSD3，立柱腹板厚度DSD4。

2内门架有限元分析

2.1建立有限元模型

将内门架三维模型导入ANSYS Workbench后，首先赋予其材料属性[4]。内门架采用材料16Mn，其弹性模量E为2.06×1011Pa，泊松比μ为0.3，密度ρ为7 850 kg/m3，屈服强度为345 MPa，取安全系数2.5。然后对其进行网格划分，本文采用ANSYS Workbench默认的自由网格划分方法进行初步网格划分，再对局部进行细化，总计生成24 614个单元，53 131个节点。

2.2施加载荷及约束

在工作过程中，当叉架承载着额定载荷的物体起升至最大起升高度，此时为最危险工况。针对内门架在最危险工况时的状态，对叉架的上下滚轮与内门架翼缘接触区域施加9 321 N的力，对两个上滚轮轴施加Y方向位移约束，对两个下滚轮轴施加全自由度约束。施加载荷及约束后的模型如图1所示。

2.3结果分析

经求解，得到内门架等效应力云图如图2(a)所示，最大应力出现在上滚轮轴与内门架立柱连接处，大小为120.42 MPa，则安全系数为2.86；等效位移云图如图2(b)所示，最大位移出现在内门架顶端，大小为3.81 mm，而许用挠度为10 mm，均满足设计要求。

3内门架优化设计

3.1确定目标函数

为了实现内门架在减少质量以达到提高经济效益的同时，静态性能不降低的目标，现以立柱截面尺寸为设计变量，强度、刚度为约束条件，内门架质量最小为目标进行优化设计。

3.2优化尺寸灵敏度分析

通过灵敏度计算各优化尺寸对响应的导数，明确结构响应对优化尺寸的敏感程度，可确定优化尺寸对内门架各性能参数影响的大小，并将灵敏度较大的尺寸作为最终的优化尺寸即输入参数进行优化，可提高优化效率[5]。

由图3可得，内门架质量随着4个优化尺寸的增大而增大，刚度随着4个优化尺寸的增大而减小，而优化尺寸对强度的影响正负不一，其随着DSD1、DSD3、DSD4增大而减小，随着DSD2增大而增大[6]。通过分析，4个优化尺寸对内门架质量、刚度、强度的影响因子均较大，因此作为最终的优化尺寸进行优化，不再删减。

3.3输入参数响应

现以保持立柱翼缘板宽度和厚度不变为例，观察立柱腹板高度和厚度对内门架质量、刚度及强度的响应，如图4所示，其余变量的响应均类似，不再赘述。从反映输入参数与输出参数的响应曲面可知，内门架质量与强度、刚度呈现制约关系，随着立柱腹板高度和厚度的减小内门架质量也相应减小，但是其刚度和强度会随之增大[7]，这也验证了优化尺寸灵敏度分析的正确性。由于不可能出现三者同时达到最小的目的，现以减少内门架质量为优先优化目标进行优化设计。

Analysis on the characteristics of the water burst in the construction period of the

3.4优化设计

ANSYS Workbench中的Design Explorer模块作为一种快速优化工具，采用实验数据法(即DOE法)，根据需要优化的参数的数目，通过蒙特卡罗抽样技术，采集设计参数，计算每个样点的响应结果，并可利用二次插值函数构造设计空间的响应面云图或响应曲线，从而实现多目标优化[8-9]。

优化过程中，参数DSD1初始值为66.5 mm，设定变化范围为60～75 mm；参数DSD2初始值为50 mm，设定变化范围为44～55 mm；参数DSD3初始值为16 mm，设定变化范围为12～17 mm；参数DSD4初始值为12 mm，设定变化范围为9～13 mm。设定样本数为5 000。按照设定的优化目标，Design Explorer将会产生候选的优化设计点，将其中一组最优设计点作为正式设计点，并按该设计点的尺寸对原有模型进行再生[10]，对新生成的内门架模型进行有限元分析，优化前后各参数数值对比如表1所示。

表1内门架优化前后参数对比

名称优化前优化后DSD1/mm66.574.88DSD2/mm5044.29DSD3/mm1614.07DSD4/mm129.44最大等效应力/MPa120.42111.98最大等效位移/mm3.813.55质量/kg97.8886.14

由表1可以得出，优化后的内门架在质量减少12%的情况下，最大等效应力降低了7%，最大等效位移降低了6.89%。在满足设计要求的前提下实现了优化目标，优化效果良好。

4结论

(1)内门架的强度满足设计要求，但在滚轮轴独柱连接处以及腰板外侧与翼缘板外侧连接处存在应力集中现象，影响其疲劳寿命。在改进设计中，可通过材料力学性能的提示加以解决。

(2)内门架自下而上其位移变形量逐渐增大，在顶端达到最大值。虽然满足设计要求，但为了使其工作时更稳定、安全，可通过将横梁的布置高度提高或增加横梁数目等措施来增强内门架的刚度。

(3)优化后的内门架在质量减少12%的情况下，最大等效应力降低7%，最大等效位移降低了6.89%。

参考文献：

[1] 卞学良, 罗明军, 穆希辉, 等.全向蓄电池侧面叉车外门架的有限元分析及优化[J].工程机械, 2006(7): 35-38.

[2] 周京京, 穆希辉, 马振书, 等.全向侧面叉车门架有限元分析及运动仿真[J].起重运输机械, 2009(2):65-68.

[3] 汪 宇, 王东方. 基于ANSYS Workbench的立式加工中心床身有限元分析和优化设计[J].制造业自动化，2009, 31(9):129-131.

[4] 慕 灿. 复杂结构UG NX模型导入ANSYS Workbench的方法研究[J]. 四川理工学院学报: 自然科学版, 2013, 26(4): 33-36.

[5] 浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社, 2010.

[6] 周孜亮, 王贵飞, 丛 明.基于ANSYS Workbench的主轴箱有限元分析及优化设计[J].组合机床与自动化加工技术, 2012(3): 17-20.

[7] 李 兵, 何正嘉, 陈雪峰. ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M].北京:清华大学出版社, 2008.

[8] 马静敏, 范云霄.基于ANSYS Workbench的太阳能热水器支架优化设计[J].轻工机械, 2011, 29(5):97-101.

[9] 刘学文，刘 康，刘光磊，等.龙门加工中心横梁部件静态特性分析[J].四川理工学院学报：自然科学版，2013，26(5):44-47.

[10] 凌桂龙, 丁金滨, 温 正.ANSYS WorkBench 13.0从入门到精通[M].北京: 清华大学出版社, 2012.