【導(dǎo)讀】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，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)計提供科學(xué)依據(jù)，顯得非常重要。大幅度工況下起重臂的優(yōu)化。采用理論計算與有限元計算相結(jié)合的方法，精簡。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。荷下滿載工況，對其進(jìn)行時間歷程響應(yīng)分析。在此基礎(chǔ)上對獨(dú)立式塔機(jī)臂架進(jìn)。該工況下的位移響應(yīng)曲線具有一定的規(guī)律性。供了有益的參考。

　　

【正文】 16： 76 7? 1 17： 635? 斜桁架斜腹桿型號 3： 48 ? ? 8： 42 3? ? 13： 32 3? ? 水平桁架斜腹桿型號 4： 42 ? ? 9： 32 3? ? 14： 28 3? ? 水平桁架水平腹桿型號 5： 32 3? ? 10： 28 3? ? 15： 28 3? ? 點(diǎn)擊 Main MenuPreprocessorSectionsBeamCommon Section，彈出對話框 Beam Tool，定義梁截面工具，如圖 321。 第 23 頁 圖 321 定義截面特性 ID為截面編號，在臂架參數(shù)表格中已經(jīng)排列出順序。 SubType 是一個下拉框，在下拉框中可以選擇截面形狀。 Offset To 是偏移梁的位置，也是一個下拉框，在下拉框中可以選擇偏移對象。按圖 321 依次對截面進(jìn)行定義。 劃分網(wǎng)格 劃分網(wǎng)格是整個建模過程中最復(fù)雜，耗時最長的工作。它與前面定義的單元類型編號，實(shí)常數(shù)編號，材料特性編號都有關(guān)系。打開劃分網(wǎng)格工具 Main menu PreprocessorMeshingMesh Tool，彈出 Mesh Tool 對話框，如圖 322所示： 圖 322 劃分網(wǎng)格工具 第 24 頁 圖 323 選擇線命令框 （ 1） Mesh Tool 對話框中如圖 323，最上面 Element Atrributes 是一個下拉列表，在這里可以選擇要劃分對象的類型，選擇 Line，然后點(diǎn)擊 旁邊的 Set按鈕，會彈出一個 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)擊這個窗口中的 OK，彈出一個窗口，如圖 324 所示。 圖 324 選擇 劃分對象的類型 第 25 頁 在 Material number 下拉列表框中選擇所選中的線的材料特性編號，在前一步選取直線時，選擇吊臂上的線時選材料編號為 1，選擇兩條拉桿時，選擇材料編號為 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，這個對于 BEAM188單元沒有意義，所以可以不選，它也不會影響 BEAM單元的性質(zhì)。在 Element type number 下拉列表框中選擇單元類型編號，有兩種， 1 號為 BEAM188， 2 號為 LINK8，一定要注意單元類型的選擇，而且該項(xiàng)必須選。在 Element section 下拉列表中選擇選中線的梁單元的截面特性，這只是在劃分吊臂即 BEAM188 單元的網(wǎng)格時用到，劃分拉桿 LINK8 單元的網(wǎng)格時不需要選擇。選擇完成之后點(diǎn) OK。 （ 2）再打開 Mesh Tool 對話框，選擇中間部分 Size Controls 中， Lines欄中的 Set 按 鈕，彈出 Element Size on Lines 對話框，這時鼠標(biāo)變成黑色箭頭，將上一步中已經(jīng)選取過的線再選一遍，點(diǎn) OK，彈出 Element Size on Picked Lines 對話框，如圖 325 所示。這個對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@個單元只承受拉力。在對話框的第二項(xiàng) No. of element divisions 中輸入 2。然后點(diǎn) OK關(guān)閉對話框。 圖 325 劃分網(wǎng)格數(shù) （ 3）再打開 Mesh Tool 工具欄，點(diǎn) mesh 按 鈕，彈出 mesh line 對話框如圖 326 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)閉該對話框。 第 26 頁 圖 326 劃分網(wǎng)格 經(jīng)過三步完成對一條直線的分網(wǎng)過程，這時打開單元顯示，就能看見所定義的 BEAM188 單元梁的實(shí)體外形。重復(fù)這三步，直到將整個模型劃分完畢，需要時間比較長。對于單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性等編號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。 但 開 單 元 顯 示 ， 查 看 劃 分 完 網(wǎng) 格 后 模 型 狀 態(tài) 。 Utility MenuPlotCtrlsStyleSize and Shape? ，彈出 Size and Shape 對話框，如圖 327，將 Display of element shapes based on real constant descriptions開關(guān)打開，如圖： 圖 327 顯示三維實(shí)體模型 第 27 頁 點(diǎn) OK 關(guān)閉。然后 Utility MenuPlot elements，如圖 328 所示。這時就會顯示實(shí)體模型。 圖 328 三維實(shí)體模型 第一節(jié)臂架實(shí)體模型 圖 329 臂架根部實(shí)體模型 臂端結(jié)構(gòu)如圖 330 所示。 第 28 頁 圖 330 臂架端部實(shí)體模型 節(jié)與節(jié)之間的連接處 實(shí)際上用的是耳板連接，在 ANSYS 模型中通過耦合來模擬實(shí)際中的鉸接，如圖 331所示。 圖 331 臂架連接處實(shí)體模型 第 29 頁 下弦桿在截面變化處的銜接，如圖 332。 圖 332 下弦桿臂架連接處實(shí)體模型 定義約束 在實(shí)際情況中，吊臂的上鉸點(diǎn)通過銷軸連接到塔身，可以繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)。拉桿固定在塔頂。因此，對拉桿是全約束， 6 個自由度；對吊臂上鉸點(diǎn)約束 5個自由度。 點(diǎn)擊 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Keypoints，彈出 Apply， U， ROT on KPs 對話框，如圖 329所示。 圖 329 定義約束 第 30 頁 鼠標(biāo)變成黑色箭頭，在圖形窗口中拾取拉桿一端，獲知在對話框中輸入拾取關(guān)鍵點(diǎn)的編號，點(diǎn) OK。彈出 ApplyU， ROT， on KPs 對話框，選擇 ALL DOF。如圖 330所示。 圖 330 施加拉桿約束 點(diǎn) Apply，以相同的方法對吊臂上鉸點(diǎn)進(jìn)行約束。如 231 所示。 圖 331 定義臂架上鉸點(diǎn)約束 第 31 頁 優(yōu)化設(shè)計概述 優(yōu)化設(shè)計介紹 優(yōu)化設(shè)計是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。所謂“最優(yōu)設(shè) 計”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計要求，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，最優(yōu)設(shè)計方案就是一個最有效的方案。 設(shè)計方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，比如 說：尺寸（如厚度）、形狀（如過渡圓角的大?。?，支撐位置，制造費(fèi)用，自然頻率，材料特性等。實(shí)際上，所有可以參數(shù)化的 ANSYS 選項(xiàng)都可以作優(yōu)化設(shè)計。 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)化問題。零階方法是一個很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數(shù)工程問題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計變量的敏感程度，因此 更加適合于精確的優(yōu)化分析。 對于這兩種方法， ANSYS 程序提供了一系列的分析 評估 修正的循環(huán)過程。就是對于初始設(shè)計進(jìn)行分析，對分析結(jié)果就設(shè)計要求進(jìn)行評估，然后修正設(shè)計。這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行直到所有的設(shè)計要求都滿足為止。 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)計算結(jié)果的初始值可以作為優(yōu)化過程的起點(diǎn)數(shù)值。 優(yōu)化中的基本概念 在介紹優(yōu)化設(shè)計過程之前，先給出一些基本的定義：設(shè)計變量，狀態(tài)變量，目標(biāo)函數(shù)，合理和不合理 的設(shè)計，分析文件，迭代，循環(huán)，設(shè)計序列等。 （ 1）設(shè)計變量（ DVs）為自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計變量的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的。每個設(shè)計變量都有上下限，它定義了設(shè)計變量的變化范圍。 （ 2）狀態(tài)變量（ SVs）是約束設(shè)計的數(shù)值。它們是“因變量”，是設(shè)計變量的函數(shù)。狀態(tài)變量可能會有上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或者下限。 （ 3）目標(biāo)函數(shù)（ OBJ）是要盡量減小的數(shù)值。它必須是設(shè)計變量的函數(shù)，也就是說，改變設(shè)計變量的數(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)定一個目標(biāo)函數(shù)。 （ 4）設(shè)計變量， 狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)總稱為優(yōu)化變量。在 ANSYS 優(yōu)化中，這些變量由用戶定義的參數(shù)來指定。必須指出在參數(shù)集中哪些是設(shè)計變量，哪些是狀態(tài)變量，哪些是目標(biāo)函數(shù)。 （ 5）一個合理的設(shè)是指滿足所有給定的約束條件的設(shè)計。如果其中任何任何一個約束條件不被滿足，設(shè)計就被認(rèn)為是不合理的。而最優(yōu)設(shè)計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（如果所有的設(shè)計序列都是不合理的，那么最優(yōu)設(shè)計是最接近合理的設(shè)計，而不考慮目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值）。 第 32 頁 （ 6）分析文件是一個 ANSYS 的命令流輸入文件，包括一個完整的分析過程（前處理，求解，后處理 ）。它必須包含一個參數(shù)化的模型，用參數(shù)定義模型并指出設(shè)計變量，狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。由這個文件可以自動生成優(yōu)化循環(huán)文件（ ），并在優(yōu)化計算中循環(huán)處理。 （ 7）一次循環(huán)指一個分析周期（可以理解為執(zhí)行一次分析文件）。最后一次循環(huán)的輸出存儲在文件 中。優(yōu)化迭代（或僅僅是迭代過程）是產(chǎn)生新的優(yōu)化序列的一次或多次分析循環(huán)。一般來說，一次迭代等同于一次循環(huán)。但對于一階方法，一次迭代代表多次循環(huán)。 （ 8）設(shè)計序列是指確定一個特定模型的參數(shù)的集合。一般來說，設(shè)計系列由優(yōu)化變量的數(shù)值來 確定，但所有的模型參數(shù)（包括不是優(yōu)化變量參數(shù)）組成一個設(shè)計系列。 優(yōu)化數(shù)據(jù)庫記錄當(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)計系列集合。該數(shù)據(jù)庫可以存儲（在文件 ），也可以隨時讀入優(yōu)化處理器中。 分析文件必須作為一個單獨(dú)的實(shí)體存在，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫不是 ANSYS 模型數(shù)據(jù)庫的一部分。 共有兩種方法實(shí)現(xiàn) ANSYS 優(yōu)化設(shè)計：批處理方法和通過 GUI 交互式地完成。 優(yōu)化設(shè)計的步驟 優(yōu)化設(shè)計通常包括以下幾個步驟，這些步驟根據(jù)所選用優(yōu)化方法的不同（批處理方式）而略微有些差別。 其 中生成循環(huán)所用的分析文件必須包括整個分析的過程，而且必須滿足以下條件： (1)參數(shù)化建立模型（ PREP7）。 (2)求解（ SOLUTION）。 (3)提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)（ POST1/POST26）。 (4)在 ANSYS 數(shù)據(jù)庫里建立與分析文件中變量相對應(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）。 (5)進(jìn)入 OPT，指定分析文件（ OPT）。 (6)聲明優(yōu)化變量。 (7)選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法。 (8)指定優(yōu)化循環(huán)控制方式。 (9)進(jìn)行優(yōu)化分析。 (10)查看設(shè)計序列結(jié)果（ OPT） 和后處理（ POST1/POST26）。 下面具體介紹一下優(yōu)化設(shè)計的過程。 分析文件生成是 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計過程中的關(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 提供的任意分析類型（結(jié)構(gòu)，熱，電磁等，線性或者非線性）。 第 33 頁