基于ANSYS的桁架系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)與目標(biāo)優(yōu)化

裘羅浙男，張文輝*，林森海，蔣黎紅，江　潔

(1.麗水學(xué)院 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 麗水 323000；2.浙江斯凱瑞機(jī)器人股份有限公司，浙江 麗水 323000)

基于ANSYS的桁架系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)與目標(biāo)優(yōu)化

裘羅浙男1，張文輝1*，林森海2，蔣黎紅1，江潔1

(1.麗水學(xué)院 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 麗水 323000；2.浙江斯凱瑞機(jī)器人股份有限公司，浙江 麗水 323000)

摘要：桁架機(jī)構(gòu)屬于各類機(jī)械裝置的典型結(jié)構(gòu)，在采樣機(jī)械臂及機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用廣泛。首先建立典型三桿桁架機(jī)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)而通過(guò)對(duì)其工況受力分析來(lái)定義約束和施加載荷；在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下，基于ANSYS對(duì)桁架機(jī)構(gòu)進(jìn)行了以材料最省為目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)迭代優(yōu)化，使最后重量相比初始設(shè)計(jì)值節(jié)省了70%，且受力情況滿足應(yīng)力要求，為桁架研發(fā)提供重要參考。

關(guān)鍵詞：桁架機(jī)構(gòu)；有限元；應(yīng)力分析；參數(shù)優(yōu)化

桁架機(jī)構(gòu)屬于機(jī)電裝置中的典型結(jié)構(gòu)，在機(jī)械臂及機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用廣泛。桁架系統(tǒng)的桿件主要承受軸向拉應(yīng)力，或稱彎矩，它是由桿件焊接、鉚接或者螺栓連接而成的框架結(jié)構(gòu)，屬于格構(gòu)式梁的一種。桁架臂相對(duì)實(shí)腹式臂架更加節(jié)省材料，且臂架材料強(qiáng)度利用率高，同樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，桁架式臂架可以降低自身重量，在資源寶貴的今天具有重要意義[1-2]。

桁架系統(tǒng)通過(guò)桿件鉸接而成，大部分屬于靜定結(jié)構(gòu)，通常采用結(jié)點(diǎn)法或者界面法對(duì)桿件的軸向力進(jìn)行求解，但求解過(guò)程繁瑣。

ANSYS軟件是當(dāng)前國(guó)際上通用的大型有限元分析軟件，在化工工業(yè)、航空航天、電子能源、土木建筑等行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。ANSYS功能強(qiáng)大，仿真精度高，目前已成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件[3-4]。

本文針對(duì)機(jī)械裝置中的典型桁架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究，以材料最省為目標(biāo)。首先對(duì)典型三桿桁架機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元模型建立，對(duì)其工況受力進(jìn)行分析，定義約束并施加載荷，在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下，基于ANSYS對(duì)桁架機(jī)構(gòu)進(jìn)行了以材料最省為目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)迭代優(yōu)化獲得最優(yōu)重量，且受力情況滿足應(yīng)力要求，為桁架研發(fā)提供重要參考。

1桁架系統(tǒng)基于ANSYS的有限元建模

當(dāng)前最為普遍的桁架系統(tǒng)由3根桿件組成，一般工況下，其上部中間點(diǎn)承受縱向載荷Fx=200 000 lb，F(xiàn)y=200 000 lb(1 lb=0.453 592 37 kg)的力，3根桿的下端均固定約束。

查表得如下設(shè)計(jì)要求：

(1)桁架最大應(yīng)力不超過(guò)500 psi(1 psi= 6 894.76 Pa)，psi為磅/每平方英尺；

(2)桿件分別定義為A1、A2和A3，橫截面分別為A1=1 000 in2,A2=1 000 in2,A3=1 000 in2)；

(3)確定3根桿的跨度B=1 000 in(1英寸=0.025 4 m)，使設(shè)計(jì)在符合強(qiáng)度要求的條件下桿重量最小化，且各桿面積變化范圍在1～1 000 in2之間變化(初始值為1 000 in)，跨度B變化范圍在400～2 000 in之間變化(初始變化為1 000 in)。

采用國(guó)際通用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行研究[5]。主要設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)平面幾何圖形設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1　桁架幾何圖形

(2)建立桁架三維模型，如圖2所示。

圖2　桁架三維建模

(3)定義約束:ANSYS建模命令具體步驟為：Main Menu→Solution→Solution →Define Load >Apply→Structural→Displacement→On Nodes。選擇All DOF 約束所有自由度，其他默認(rèn)，再單擊OK按鈕，完成約束定義。

(4)載荷施加:ANSYS載荷施加命令為Main Menu→Solution→Define Load→Apply→Structural→Force/Moment→On Node命令，出現(xiàn)拾取菜單，選擇節(jié)點(diǎn)1，單擊OK按鈕出現(xiàn)載荷定義對(duì)話框，載荷類型為集中力Fx， Fy，數(shù)值均為200 000 lb，再單擊OK按鈕完成載荷的施加。

(5)模型求解:運(yùn)行主菜單 Main Menu→Solution→Current LS命令，出現(xiàn)Solve Current Load Step對(duì)話框，單擊/STAT Command 窗口菜單/STAT Command→File→Close 關(guān)閉/STAT Command窗口，然后單擊Solve Current Load Step菜單中的OK按鈕確定，進(jìn)行求解，求解后獲得初始重量為1 091.1 lb (見(jiàn)圖3)。

圖3　桁架初始重量

2基于ANSYS桁架系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

為了節(jié)省不必要材料，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，遵循參數(shù)重要性原則，選取對(duì)結(jié)構(gòu)影響明顯的參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。

1)定義優(yōu)化設(shè)計(jì)變量：在minimum value后面的文本中輸入400，在maximum value后面的文本中輸入2 000，單擊apply按鈕完成定義，如圖4所示。

圖4　桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)變量定義

2)桁架桿件應(yīng)力在迭代過(guò)程中的變化云圖如圖5所示。

圖5　桁架應(yīng)力迭代優(yōu)化情形圖

3)桁架桿件截面變量在迭代過(guò)程中的參數(shù)變化情形圖如圖6所示。

圖6　桁架截面參數(shù)迭代優(yōu)化情形圖

4)桁架桿件總重量在迭代過(guò)程中變化如圖7所示。

圖7　桁架桿件總重量迭代優(yōu)化情形圖

由圖6中 SIG1、SIG2和SIG3對(duì)應(yīng)桿A1、A2和A3的應(yīng)力曲線可以看出，在第9次迭代趨于穩(wěn)定，且均為超過(guò)極限值500 psi。由圖7可以看出A1、A2、A3橫截面積在迭代7次后即趨于穩(wěn)定，且由初始值1 000分別降為660 in2,90 in2和10 in2，出桁架總重量在第9次迭代趨于穩(wěn)定，由初始值1 091 lb降至300 lb，在滿足應(yīng)力要求的情況下，減少材料達(dá)到70%，達(dá)到了參數(shù)優(yōu)化效果。

3結(jié)論

本文建立了典型三桿桁架機(jī)構(gòu)的有限元模型，分析三桿桁架機(jī)構(gòu)的受力工況，并對(duì)其約束和載荷進(jìn)行定義，在滿足強(qiáng)度和剛度的情況下，基于ANSYS對(duì)桁架機(jī)構(gòu)進(jìn)行了以材料最省為目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化。相比初始設(shè)計(jì)值，優(yōu)化后的材料重量節(jié)省了70%，且受力滿足應(yīng)力要求，為桁架研發(fā)提供重要參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1]嚴(yán)海綱,黃泊戩,梅雪峰.采煤機(jī)搖臂殼體有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2011,3(10):45-50.

[2]楊宏亮，彭巖.液壓缸承受徑向載荷的非線性有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(6):23-26.

[3]高勇.基于ANSYS的篩煤機(jī)振動(dòng)軸模態(tài)計(jì)算[J].煤礦機(jī)械，2014(1): 10-11.

[4]林榮川，郭隱彪，魏莎莎，等.液壓缸臨界載荷計(jì)算和最優(yōu)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011(9):125-128.

[5]江潔，張文輝，蔣理劍. 煤炭采樣機(jī)械臂基于ANSYS的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2016,10(3):45-50.

(責(zé)任編輯：張凱兵)

Parametric Design and Target Optimization for Truss System Using ANSYS

Qiuluo Zhe’nan1, Zhang Wenhui1*, Lin Senhai2, Jiang Lihong1,Jiang Jie1

(1.SchoolofEngineeringandDesign，LishuiUniversity，Lishui,Zhejiang323000,China; 2.ZhejiangSikairuiRobotCo.,LTD，Lishui,Zhejiang323000,China)

Abstract：Truss mechanisms belong to the typical structure of various mechanical equipments and are widely used in robotic manipulators and all kinds of engineering equipments. The finite element model of three typical lever truss mechanism is firstly established in this paper, and the forces of the working condition on the girder are analyzed. Then the constraints and applied load are defined to satisfy the intensity and the rigidity. The parameter optimization is constructed to minimize the amount of material for the truss mechanism based on ANSYS. The results show that the final weight saves of 70%, compared with the initial design value, and satisfies the requirement of stress and strain for truss.

Key Words：truss mechanisms; finite element; prestress analysis; parameters optimization

收稿日期：2016-02-17

基金項(xiàng)目：浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14F030005)；浙江省科技廳公益技術(shù)資助項(xiàng)目(2015C31160)；浙江省

作者簡(jiǎn)介：裘羅浙男(1993-)，男，浙江杭州人，麗水學(xué)院工程與設(shè)計(jì)學(xué)院學(xué)生。

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-4824(2016)03-0081-03

新苗人才資助項(xiàng)目(2015R431001)；浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201534043)；麗水市高層次人才資助項(xiàng)目(2015RC04)；

麗水市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015KCPT03)

張文輝(1980-)，男，河南正陽(yáng)人，麗水學(xué)院工程與設(shè)計(jì)學(xué)院副教授，博士,本文通信作者。