本文以16t雙梁橋式起重機(jī)為例，通過有限元軟件ANSYS對其主梁進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化（Goal Driven Optimization），結(jié)果相較于優(yōu)化前質(zhì)量減輕了24.9%，效果非常顯著，并且針對優(yōu)化前后進(jìn)行了靜力分析，優(yōu)化結(jié)果可靠可行。本文通過主梁的參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量減輕的目的，對橋式起重機(jī)的設(shè)計具有重大意義。
    橋式起重機(jī)已經(jīng)成為了現(xiàn)代化生產(chǎn)中必不可少的一種機(jī)械設(shè)備，除了運(yùn)用方便、效果顯著等原因外，橋式起重機(jī)在安全方面相較于其他設(shè)備同樣有著明顯的優(yōu)勢，例如，在實(shí)際生產(chǎn)中，橋式起重機(jī)能顯著提高生產(chǎn)安全，減小事故發(fā)生率。長久以來，我國對于重型機(jī)械的要求是夠大夠結(jié)實(shí)，因此，在傳統(tǒng)的設(shè)計方法和加工工藝的限制下，我們設(shè)計出來的橋式起重機(jī)往往都具有過高的安全系數(shù)，這樣設(shè)計雖然安全，但是，正因?yàn)檫^于安全了，我們的設(shè)計造成許多材料的浪費(fèi)和廢棄。通過大量設(shè)計和實(shí)例表明，橋式起重機(jī)60%以上的重量是和主梁結(jié)構(gòu)相關(guān)的，因此，主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，直接關(guān)系到鋼材耗費(fèi)量的多少。采用ANSYS對起重機(jī)主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，不僅能實(shí)現(xiàn)主梁的形狀優(yōu)化，從而改進(jìn)產(chǎn)品外形，同時能提高整機(jī)性能，減少制造成本和材料消耗。
    主梁結(jié)構(gòu)分析
   本文在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計前，先對橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行靜力分析，分析的目的是求出主梁的最大應(yīng)力和最大位移，方便后續(xù)的優(yōu)化以及對比。
    本文的研究對象是16t雙梁橋式起重機(jī)，主梁由上、下蓋板、兩塊腹板以及隔板組成，同時，為了分析更為準(zhǔn)確，本文對端梁也進(jìn)行了建模。
    1.1 參數(shù)化建模
    優(yōu)化設(shè)計就是講設(shè)定的參數(shù)不斷優(yōu)化，最終在眾多方案中尋找最佳方案的過程，因此，在建模時，需要實(shí)施參數(shù)化建模。本文采取PROE建模，并且設(shè)定了8個優(yōu)化參數(shù)。
    1.2 有限元的前處理
    本文選取solid45單元，材料全部采用Q235，材料密度，彈性模量，泊松比。
    網(wǎng)格劃分以四邊形單元為主，同時在個別部位采用三角形單元。
    在有限元中，為了確保結(jié)果的正確性，需要依據(jù)實(shí)際情況對模型施加約束。對于本文來說，分析的是橋式起重機(jī)主梁，約束的對象就在端梁的支撐面，即端梁大車輪處。需要約束的四個支撐面，均擁有6個自由度，即X、Y、Z方向的平移自由度和X、Y、Z方向的旋轉(zhuǎn)自由度，依據(jù)實(shí)際情況，采取全約束。
    當(dāng)起重機(jī)小車滿載處于主梁跨中位置時，主梁的應(yīng)力和變形是最大的，因此，本文的研究工況為小車滿載處于主梁跨中處。
    1.3 求解
    當(dāng)完成主梁的建模以及選取單元、定義材料屬性、網(wǎng)格劃分、施加約束和施加載荷以后，即可對主梁進(jìn)行求解，得出主梁的應(yīng)力云圖和位移云圖，如下圖所示：
    優(yōu)化設(shè)計
     優(yōu)化設(shè)計的過程就是分析、評估、修整的循環(huán)過程，當(dāng)用戶輸入設(shè)計參數(shù)，ANSYS會對參數(shù)進(jìn)行分析，然后按照用戶要求對分析結(jié)果進(jìn)行評估，最后按照算法進(jìn)行修整。循環(huán)過程會不斷重復(fù)，一直到滿足用戶要求打止。
    2.1 設(shè)計變量
    優(yōu)化設(shè)計中，對于變量的數(shù)目需要嚴(yán)格控制，變量過多，所求問題就會過于復(fù)雜，雖然會得到很好的優(yōu)化結(jié)果，但是無形中增大了計算量和計算難度，以至于得不償失。因此，在確定變量數(shù)目前，需要對研究的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)分析，對于設(shè)計中幾乎沒有影響甚至是完全沒有影響的參數(shù)可以進(jìn)行忽略，或者以作為給定條件或轉(zhuǎn)化成約束條件的方式來進(jìn)行處理，盡量減少設(shè)計變量的個數(shù)，以達(dá)到控制變量個數(shù)的目的。本文設(shè)計了8個變量，如表2.1所示：
    表2.1 設(shè)計變量表
    Table2.1 Design variables table
 

    本文對16t雙梁橋式起重機(jī)的主梁進(jìn)行了參數(shù)化建模，然后通過無縫連接導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行了靜力分析，得出結(jié)構(gòu)符合要求的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，對主梁進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化得出81組優(yōu)化數(shù)據(jù)，經(jīng)過篩選得出最優(yōu)解，相比優(yōu)化前減輕了24.9%，并且進(jìn)行了優(yōu)化后的應(yīng)力、位移的云圖對比，得出優(yōu)化滿足要求的結(jié)果。本文結(jié)論為橋式起重機(jī)主梁的設(shè)計和改善提供了有益的指導(dǎo)，具有一定的參考價值。