基于ANSYS APDL的支撐筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王淞

（上海海事大學(xué) 臨港校區(qū)，上海201306）

0 引言

支撐筒作為大型鋼結(jié)構(gòu)頂升裝備中的重要支撐結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性對(duì)頂升設(shè)備的頂升性能和安全性有著重大影響。目前，在地面觀測(cè)衛(wèi)星、地上建筑物夾持及頂升、海洋石油平臺(tái)模塊的移動(dòng)和建造過程中，均有通過支撐筒與夾持機(jī)構(gòu)的互相配合從而實(shí)現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)的頂升過程[1-3]。在保證最大有效應(yīng)力的前提下，支撐筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠減少建造材料、節(jié)約空間體積，同時(shí)還能對(duì)支撐筒的尺寸進(jìn)行修改，使其長寬尺寸達(dá)到與所持建筑物相對(duì)應(yīng)的比例。任開鋒等[4]對(duì)衛(wèi)星艙外的復(fù)合材料支撐筒進(jìn)行了驗(yàn)證，通過有限元分析，得到了支撐筒的合理尺寸，滿足了設(shè)計(jì)試驗(yàn)的指標(biāo)要求，但并沒有對(duì)支撐筒進(jìn)行優(yōu)化；鄔錢涌等[5]對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化進(jìn)行了研究，在保證強(qiáng)度和剛度滿足要求的前提下，利用ANSYS軟件使質(zhì)量減小了3.56%，但計(jì)算過程較為復(fù)雜，且迭代次數(shù)較多，計(jì)算效率較低；張衛(wèi)東等[6]針對(duì)超高層建筑全鋼結(jié)構(gòu)用的支撐筒進(jìn)行了性能分析，包括結(jié)構(gòu)布置、抗震性能指標(biāo)、風(fēng)載等因素，計(jì)算結(jié)果表明，傳統(tǒng)的支撐筒布置結(jié)構(gòu)能夠滿足各項(xiàng)要求。同時(shí)提出一些構(gòu)造加強(qiáng)的措施供工程參考；包聯(lián)進(jìn)等[7]對(duì)天津高銀117大廈的巨型支撐結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用縮尺實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化解決了此巨型支撐系統(tǒng)在罕遇地震情況下的失穩(wěn)問題，具有較大的參考價(jià)值。但需要反復(fù)進(jìn)行荷載實(shí)驗(yàn)，成本較高且周期過長。A. I. Borovkov等[8]基于ANSYS APDL參數(shù)化語言，結(jié)合Free Pascal代碼開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及散熱器的參數(shù)化建模與分析。目前雖然已經(jīng)解決了支撐筒的強(qiáng)度和剛度要求，但在整體結(jié)構(gòu)輕量化方面仍有改善的空間。

對(duì)此，提出利用ANSYS軟件中的APDL參數(shù)化有限元分析模塊[9]，采用零階優(yōu)化方法中的隨機(jī)優(yōu)化方法對(duì)支撐筒整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，首先分析了夾持工況和頂升工況時(shí)的等效應(yīng)力，其次以最大等效應(yīng)力為狀態(tài)變量，以最小體積為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]，進(jìn)而得到收斂曲線和變化曲線；最后，將優(yōu)化后的結(jié)果與未優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出優(yōu)化的有效性。

1 支撐筒結(jié)構(gòu)

支撐筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與所要夾持和頂升的鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)，同時(shí)，也與周圍環(huán)境和負(fù)載等有很大的關(guān)系[11]。本文設(shè)計(jì)的頂升裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置采用作用力面接觸，相對(duì)于線接觸，能夠提供更大的作用力接觸面積，可減小變形和提升穩(wěn)定性。目前應(yīng)用較為廣泛。 同時(shí)，該結(jié)構(gòu)增大了銷的直徑，能夠有效提高支撐筒整體的斷裂性能。

圖1 頂升裝置原理圖

如圖1所示，當(dāng)裝置提升大型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，兩液壓油缸夾持收縮，帶動(dòng)2塊鋼板松開對(duì)支撐筒的夾持。頂升油缸伸長，將支撐筒頂起，直到下一個(gè)支撐筒的插板槽與兩夾持鋼板的高度相同時(shí)停止頂升，兩夾持油缸帶動(dòng)夾持板深入到支撐筒的插板槽中夾持住支撐筒。頂升油缸收縮，待頂升油缸收縮到能在頂升油缸上再放入一個(gè)支撐筒時(shí)停止收縮并在頂升油缸上再放置一個(gè)支撐筒。不斷重復(fù)以上過程，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)的頂升[12]。

2 支撐筒初始強(qiáng)度分析

根據(jù)以上夾持機(jī)構(gòu)的工作流程可知，支撐筒有2種工況：夾持工況和頂升工況。在實(shí)驗(yàn)中，本文選取支撐筒支撐的質(zhì)量為120 t，下面對(duì)兩種工況下支撐筒的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

支撐筒結(jié)構(gòu)及部分尺寸如圖2所示。

圖2 支撐筒的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵尺寸

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[13]，設(shè)計(jì)了支撐筒的初始結(jié)構(gòu)尺寸，如表1所示。

表1 支撐筒初始結(jié)構(gòu)尺寸 mm

根據(jù)以上支撐筒初始設(shè)計(jì)尺寸，對(duì)支撐筒進(jìn)行強(qiáng)度分析，夾持工況下支撐筒的應(yīng)力和應(yīng)變分布圖如圖3所示；頂升工況下支撐筒的應(yīng)力和應(yīng)變分布圖如圖4所示。

圖3 夾持工況下應(yīng)力和應(yīng)變分布圖

由圖3、圖4可以分別得到夾持和頂升狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力，同時(shí)利用ANSYS體積模塊計(jì)算出此時(shí)支撐筒的體積為4 207 888.16 mm3，結(jié)果如表2所示。

表2 支撐筒初始分析結(jié)果

圖4 頂升工況下應(yīng)力應(yīng)變分布圖

根據(jù)以上ANSYS分析結(jié)果可知，夾持工況時(shí)支撐筒的最大等效應(yīng)力為27.79 MPa，頂升工況時(shí)支撐筒的最大等效應(yīng)力為144.712 MPa，可以看出夾持工況時(shí)的最大等效應(yīng)力要遠(yuǎn)小于頂升工況時(shí)的最大等效應(yīng)力，因此在優(yōu)化分析時(shí)只需考慮頂升工況時(shí)的最大應(yīng)力應(yīng)小于材料許用應(yīng)力與安全系數(shù)的乘積即可。

3 支撐筒優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 變量選取

選取支撐筒的內(nèi)徑D2、高度a及插板槽距下表面距離c在內(nèi)的主要尺寸作為設(shè)計(jì)變量，各尺寸的初值和取值范圍如表3所示。

表3 變量取值及范圍 mm

選取頂升工況中的最大等效應(yīng)力MAXSEQV為狀態(tài)變量，根據(jù)最大等效應(yīng)力應(yīng)小于材料許用應(yīng)力與安全系數(shù)的乘積，可知MAXSEQV應(yīng)滿足約束條件：

3.2 建立目標(biāo)函數(shù)

本次優(yōu)化的目的是使支撐筒在滿足一定強(qiáng)度條件下具有較小的質(zhì)量，因此應(yīng)以支撐筒的質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，又考慮到支撐筒的質(zhì)量與其體積成正比（假設(shè)支撐筒密度均勻），由于支撐筒的體積更容易測(cè)量，因此最終選擇支撐筒的體積作為本次優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。其數(shù)學(xué)模型為：

式中：X1、X2、X3分別為支撐筒變量中的支撐筒內(nèi)徑D2、支撐筒高度a及插板槽距下表面距離c；fn(X)為支撐筒的總體積，也即目標(biāo)函數(shù)；fσ為支撐筒的應(yīng)力，滿足不超過支撐筒材料的屈服極限和安全系數(shù)的乘積；fε為支撐筒的變形，查標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[13]可知，該值不超過0.20 mm。

由于采用ANSYS一階優(yōu)化方法時(shí)，計(jì)算結(jié)果容易發(fā)散，不利于產(chǎn)生穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，而ANSYS零階優(yōu)化方法通常收斂的速度較快，其計(jì)算精度雖然沒有一階優(yōu)化方法的高，但也能夠滿足工程需要，因此本節(jié)關(guān)于支撐筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)部分采用了零階優(yōu)化方法中的隨機(jī)優(yōu)化方法。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

利用ANSYS APDL有限元分析模塊對(duì)該支撐筒結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，編寫優(yōu)化程序并運(yùn)行后，通過APDL輸出窗口可以看出程序經(jīng)過9次迭代后，得到了最優(yōu)化結(jié)果，且第8次優(yōu)化后的結(jié)果為此次支撐筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。支撐筒的體積即目標(biāo)函數(shù)隨迭代次數(shù)的收斂情況如圖5所示，3個(gè)設(shè)計(jì)變量隨迭代次數(shù)的變化情況如圖6所示，優(yōu)化后支撐筒的結(jié)構(gòu)尺寸如表4所示。

圖5 目標(biāo)函數(shù)收斂曲線

圖6 設(shè)計(jì)變量變化曲線

表4 優(yōu)化后支撐筒尺寸 mm

4 結(jié)果分析

對(duì)支撐筒優(yōu)化后的尺寸進(jìn)行圓整，得到優(yōu)化前后尺寸對(duì)比，如表5所示。

表5 優(yōu)化前后尺寸對(duì)比 mm

根據(jù)圓整后的支撐筒尺寸對(duì)支撐筒再次進(jìn)行2種工況下的強(qiáng)度、剛度分析。優(yōu)化后夾持工況下的支撐筒應(yīng)力應(yīng)變分布圖如圖7所示。優(yōu)化后頂升工況下的支撐筒應(yīng)力應(yīng)變分布圖如圖8所示。

圖7 優(yōu)化后夾持工況應(yīng)力應(yīng)變分布圖

圖8 優(yōu)化后頂升工況應(yīng)力應(yīng)變分布圖

由此可以得到優(yōu)化后夾持和頂升狀態(tài)下支撐筒的最大等效應(yīng)力（如表6），同時(shí)計(jì)算出此時(shí)支撐筒的體積為2 841 561.28 mm3。

表6 支撐筒優(yōu)化分析結(jié)果

根據(jù)支撐筒優(yōu)化后分析結(jié)果（如表6）和支撐筒優(yōu)化前分析結(jié)果（如表2）可知，在同樣滿足兩種工況要求的條件下，優(yōu)化后相較于優(yōu)化前體積減小了（4027888.16-2841561.28）÷4027888.16=29.45%。

5 結(jié)論

本文通過建立一種夾持機(jī)構(gòu)的模型，分析型鋼結(jié)構(gòu)模塊頂升裝置中的支撐筒部分，利用ANSYS APDL參數(shù)化有限元分析模塊，采用零階優(yōu)化方法中的隨機(jī)優(yōu)化方法，通過對(duì)比分析，在滿足夾持和頂升兩種工況等效應(yīng)力的情況下，迭代8次后取得了最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，優(yōu)化后支撐筒的體積比優(yōu)化前相對(duì)減小了29.45%，得到了更為合理的結(jié)構(gòu)尺寸。利用這種方法能夠大大減少支撐筒及整個(gè)頂升裝置的質(zhì)量和材料用量，對(duì)大型結(jié)構(gòu)物頂升過程中的裝置設(shè)計(jì)方案具有重要的參考作用，同時(shí)對(duì)于其他領(lǐng)域的支撐筒設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。