基于APDL的龙门吊结构优化设计

朱成 翟保进

摘 要：龙门式起重机适用于港口码头、修造船厂、货场、车间和施工工地等，应用十分广泛。本文以20t单主梁电动葫芦龙门吊为例，运用ANSYS提供的APDL语言进行参数化建模，并进行结构优化设计，最终确定龙门吊各主要截面的尺寸及板厚，并使整机在满足安全和使用要求的情况下自重最轻，阐述了一种龙门吊的优化设计方法和过程。使用此方法不但大大减少了设计工作量和工作时间，使设计效率明显提高，而且使龙门起重机的结构更加优化合理。

关键词：APDL；龙门吊；结构优化设计；ANSYS

1.概述

龙门式起重机（以下简称龙门吊）在工业和制造等领域中广泛使用，但由于货种、作业场地、作业效率、用途的不同，导致龙门吊的设计有较强的单一性和不可重复性，因此设计师一般需要根据业主的需求专门定制设计。

目前，龙门吊金属结构设计广泛采用ANSYS有限元分析软件辅助计算，采用“方案设计→分析计算→修改方案→分析计算→……→确定最终方案”的常规设计流程，此种方法不仅耗费大量的时间和人力用于修改计算模型上，而得出的最终结果还不一定是最优解。

APDL语言可通过设计参数的调整，自动完成上述循环过程，并进行优化设计，从而减少修改模型和方案以及重新分析计算所花的时间，达到提高设计效率和设计最优化的目的。

2.建立有限元模型

本文举例的龙门吊主要用于造船厂小型分段的吊装作业，主要技术参数见表1：

龙门吊结构采用beam188单元建模，含有5个典型箱型截面，其中四个支腿采用变截面梁。因截面尺寸和板厚为优化设计的设计变量，因此在建模时需要用代号表示各设计变量，并给出设计变量的初始值。建立的有限元模型见图1。

3.加载和求解

为简化分析过程，模型按两种最危险工况计算：

工况一：在跨度中间起吊额定载荷；

工况二：在最大悬臂端起吊额定载荷。

因为用梁单元模拟设计结构，缺少横隔板、焊缝、纵筋和法兰等对自重的影响，因此计算时采用加大重力加速度的方法弥补其影响，根据经验本例施加1.3倍的重力加速度。

4.后处理

ANSYS优化设计有三种变量，设计变量、状态变量和目标变量。

三种变量中的状态变量和目标变量需要在后处理中获得数据，本例中结构应力和下挠值为状态变量，模型总体积（可换算成重量）为目标变量。

状态变量值和目标变量值的获取如下：

5.优化程序

在ANSYS优化程序中最多可定义60个设计变量，且需要定义设计变量的取值范围和公差，尽量少的设计变量、合适的取值范围和公差能使优化计算快速收敛，因此可根据实际把设计变量合并，并使各个设计变量的取值可根据经验尽量取一个稍小的范围。

ANSYS优化设计的公差用户可自行输入也可用系统默认值，结合本例及生产实际，对梁高和梁宽的公差取值为50，对板厚的取值为2。设计变量定义如下：

考虑到本龙门吊工作级别和载荷分布情况，以及使用材料，取结构许用应力为176MPa，跨中许用下挠为S/750（S为跨度），悬臂端许用下挠为L/350（L为有效悬臂长）。状态变量定义如下：

本例优化目标为龙门吊的总重量，因重量与体积成比例，因此直接选择总体积为目标函数。定义目标变量如下：

OPVAR，VOLUME，OBJ

6.优化方法的选取和控制

在ANSYS中，系统支持零阶和一阶两种优化方法，这两种方法能解决绝大多数的优化问题。为比较两种优化方法的优化效果，对本例采用两种优化方法进行分析。分析结果见表2。

从以上结果可以看出，一阶优化方法的目标变量（VOLUME总体积）较小，优化效果更好。优化结果对设计变量的取值与实际情况有较小出入，所以需对各参数进行取整。因采用的是参数化的建模方法，因此只用把设计变量更改为取整后的数值，即可完成对整机的分析。

7.总结

采用此方法进行龙门吊设计，只用输入较少的几个主要参数值，就能得到各个截面的参数，大大降低了传统设计方法修改方案和修改模型的时间，而且是最优的结果，尤其在方案设计阶段，其高设计效率和高设计质量的特点更为突出。

8.后期工作展望

本例采用的是最简单的单主梁龙门吊，代表了一种龙门吊优化设计的思路和方法。后期工作重点是对所有型式的龙门式起重机均采用此种优化方法，并与VB等软件相结合，提供更加友好的人机界面，设计出一款通用龙门吊优化设计软件。

参考文献：

[1]王富强.基于APDL 语言的结构优化设计[J].科学技术与工程，2006，6（21）：3405-3408.

[2]高耀东.ANSYS机械工程应用精华60例[M].北京：电子工业出版社，2012：493-507.

[3]中国国家标准化管理委员会.GB/T3811-2008 起重机设计规范[S].北京：中国标准出版社，2008.