基于ANSYS Workbench的高處作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊碩，錢怡，金惠昌

(1. 江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2. 無錫瑞吉德機(jī)械有限公司，江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和工程設(shè)備要求的提高，高處作業(yè)平臺(tái)正向著大型化和異型化趨勢(shì)發(fā)展[1]，同時(shí)新興結(jié)構(gòu)也引發(fā)了越來越多的問題。高處作業(yè)平臺(tái)的吊點(diǎn)位置和吊點(diǎn)數(shù)量直接影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

因此對(duì)不同吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)高處作業(yè)平臺(tái)的研究是十分有必要的。本文以2.5 m長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為基礎(chǔ)，給出雙吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的40 m長(zhǎng)大型高處作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。建立有限元模型，通過靜力分析獲取結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，進(jìn)一步討論吊點(diǎn)位置和數(shù)量的不同對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

1 雙吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)有限元模型建立

高處作業(yè)平臺(tái)主要由前欄桿、后欄桿、底架、側(cè)板和提升機(jī)安裝架等組成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)出的平臺(tái)長(zhǎng)度為40 m，寬度為0.76 m，前欄桿高1.06 m，后欄桿高1.22 m，提升機(jī)安裝架高1.32 m。承載額定載重量400 kg。運(yùn)用Creo三維建模軟件建模，模型如圖1所示。

圖1 40 m作業(yè)平臺(tái)三維實(shí)體模型

1.1 有限元建模及簡(jiǎn)化

模型的網(wǎng)格以六面體單元為主，四面體單元為輔。采用三維實(shí)體單元 SOLID186，構(gòu)件間采用Bonded 接觸來模擬螺栓連接。結(jié)構(gòu)阻尼忽略不計(jì)，并且施工過程不受風(fēng)載荷及動(dòng)載荷影響[2-3]。材料性能如表1所示。

表1 高處作業(yè)平臺(tái)材料性能

參考GB19155-2003，選取150%額定載荷工況，作用在平臺(tái)中間位置進(jìn)行靜力分析。重力通過施加重力加速度和慣性力來完成。將所有懸掛點(diǎn)位置的提升機(jī)架都設(shè)置為固定約束，即線位移UX= 0，UY= 0，UZ= 0；角位移ROTX= 0，ROTY= 0，ROTZ= 0[4-5]。

1.2 靜態(tài)力學(xué)性能分析

由圖2可知，平臺(tái)的最大等效應(yīng)力為130.45 MPa，出現(xiàn)在提升機(jī)架和前后欄桿連接位置。由圖3可知，平臺(tái)的最大位移為37.583 mm，出現(xiàn)在平臺(tái)底部中間區(qū)域。平臺(tái)的變形主要來自集中力載荷，并且平臺(tái)前后欄桿的高度不同，導(dǎo)致略有橫向扭曲變形。對(duì)于此高處作業(yè)平臺(tái)，變形應(yīng)不大于平臺(tái)長(zhǎng)度的1/300，即為40 000/300=133.3 mm，所以本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值滿足要求。

圖2 150%額定載荷應(yīng)力云圖

圖3 150%額定載荷位移圖

高處作業(yè)平臺(tái)選用的材料為Q235A結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度為σs=295MPa，再結(jié)合設(shè)計(jì)安全系數(shù)≥2，可得高處作業(yè)平臺(tái)的許用應(yīng)力值為147.5MPa，因此結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，此初步設(shè)計(jì)方案滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求。

2 多吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)吊點(diǎn)位置設(shè)計(jì)和選擇

2.1 多吊點(diǎn)位置選擇和布置分析

提升吊點(diǎn)的位置確定要保證：結(jié)構(gòu)整體受力合理，并且在保證安全的前提下盡量減少吊點(diǎn)的數(shù)量來滿足經(jīng)濟(jì)性要求；提升吊點(diǎn)位置的選擇應(yīng)多以結(jié)構(gòu)中心為對(duì)稱中心，以結(jié)構(gòu)主軸線為對(duì)稱軸，以此來保證提升的平穩(wěn)性；提升吊點(diǎn)應(yīng)考慮平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸，以便于進(jìn)行安裝[6]。因此實(shí)際工況中常采用三吊點(diǎn)和四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，對(duì)于多吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，理論上相同型號(hào)的多組提升機(jī)具有相同提升速度，可以保證平臺(tái)平穩(wěn)工作，而且目前所使用的電氣控制箱采用具有同步控制功能的PLC控制器，能夠較好地控制提升機(jī)的同步起升，很好地解決調(diào)平問題[7-8]。

在高處作業(yè)平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)方案之上，三吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)要保證整體對(duì)稱性，內(nèi)部吊點(diǎn)應(yīng)位于第8和第9標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間。四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)內(nèi)部吊點(diǎn)的選取不僅要滿足對(duì)稱性，還要保證吊點(diǎn)位置最優(yōu)，需要運(yùn)用ANSYS Workbench進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.2 四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)吊點(diǎn)優(yōu)化分析

1) 簡(jiǎn)易模型有限元模型建立

設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易模型代替真實(shí)模型進(jìn)行尋優(yōu)，將平臺(tái)整體視為細(xì)長(zhǎng)梁結(jié)構(gòu)。由于其工作時(shí)材料處于線性階段，根據(jù)彈性理論，梁的變形與載荷大小、梁的尺寸、約束和材料特性有關(guān)，為了模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)，設(shè)置簡(jiǎn)易模型的材料特性、約束以及截面慣性矩I與真實(shí)模型相同，從而通過簡(jiǎn)易模型來模擬真實(shí)模型的變形規(guī)律，尋找最大撓度。

簡(jiǎn)易模型平臺(tái)實(shí)體部分采用三維實(shí)體單元SOLID186，而鋼絲繩拉索則采用 LINK180單元。通過 Workbench 平臺(tái)中幾何建模模塊建立線體模型并賦予截面特征參數(shù)，并插入Command 命令以實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索的模擬[9]。

2) 四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)吊點(diǎn)位置優(yōu)化求解

選取內(nèi)部?jī)傻觞c(diǎn)分別至近端部的距離作為輸入?yún)?shù)。高處作業(yè)吊籃國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB19115-2003) 規(guī)定：鋼絲繩吊點(diǎn)距懸吊平臺(tái)端部距離應(yīng)大于懸吊平臺(tái)全長(zhǎng)的1/4。所以輸入?yún)?shù)取值范圍為10 m～17.5 m，同時(shí)選取靜力分析結(jié)果中的最大位移作為輸出參數(shù)。

采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法，以輸出參數(shù)值最小為優(yōu)化目標(biāo)，將候選優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)計(jì)值插入程序計(jì)算[10]，得到最佳優(yōu)化解：P1=-12.495m，P2=12.495m?？紤]到平臺(tái)是由單節(jié)長(zhǎng)度為2.5m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組裝而成，對(duì)最優(yōu)解取整處理得P1=-12.5m，P2=12.5m，即在第5標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和第6標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接處設(shè)置吊點(diǎn)為最優(yōu)解。

3 不同吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

經(jīng)過有限元模擬分析，3種不同吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果如表2所示，不同結(jié)構(gòu)下平臺(tái)的最大應(yīng)力與撓度的變化關(guān)系如圖4、圖5所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)平臺(tái)有限元計(jì)算結(jié)果

圖4 不同結(jié)構(gòu)下平臺(tái)最大應(yīng)力隨吊點(diǎn)數(shù)量變化關(guān)系

A. 雙吊點(diǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)撓度曲線；B. 三吊點(diǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)撓度曲線；C. 四吊點(diǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)撓度曲線圖5 不同結(jié)構(gòu)下平臺(tái)撓度隨長(zhǎng)度方向變化關(guān)系

由表2和圖4可知，相對(duì)于雙吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)，吊點(diǎn)數(shù)量的增加導(dǎo)致平臺(tái)最大應(yīng)力有較明顯的下降。三吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)與四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)最大應(yīng)力相近，并且四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)最大應(yīng)力相對(duì)較大。

由表2和圖5可知，在相同的危險(xiǎn)工況下，高處作業(yè)平臺(tái)在增加吊點(diǎn)后，撓度有了明顯減小。三吊點(diǎn)平臺(tái)和四吊點(diǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)都有效地提高了結(jié)構(gòu)的剛度，增強(qiáng)了高處作業(yè)平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全性。由于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的相異，三吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)最大位移出現(xiàn)在吊點(diǎn)之間的中心位置，而四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)平臺(tái)每?jī)蓚€(gè)吊點(diǎn)之間都有較大位移，并且內(nèi)部?jī)傻觞c(diǎn)之間具有最大的位移，同時(shí)三吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)和四吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的最大位移數(shù)值相近。因此，多吊點(diǎn)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)可以對(duì)大型高處作業(yè)平臺(tái)提供優(yōu)化，如果工況對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)沒有特殊要求，那么采用三吊點(diǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的方式可以減小機(jī)器制造的成本，有效提高工廠經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

以標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)建立的40m高處作業(yè)平臺(tái)，在危險(xiǎn)工況下滿足強(qiáng)度和剛度的要求，得到了初步設(shè)計(jì)方案。以初步設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，討論吊點(diǎn)數(shù)量的改變對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的影響。得出結(jié)論為，若結(jié)構(gòu)上無特殊要求，在同樣的條件下三吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)高處作業(yè)平臺(tái)具有較好的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

通過簡(jiǎn)易模型的吊點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)方案尋求撓度變化的最優(yōu)解，運(yùn)用簡(jiǎn)易模型最優(yōu)解來指導(dǎo)選取真實(shí)模型的吊點(diǎn)位置，找到真實(shí)模型的吊點(diǎn)位置初步設(shè)計(jì)方案。此種方法大大減輕了真實(shí)模型直接尋找吊點(diǎn)位置最優(yōu)解過程的工作量，簡(jiǎn)易模型優(yōu)化分析的結(jié)果獲得了較真實(shí)的參考數(shù)據(jù)。