基于CAE仿真分析的升降车升降结构优化设计   佛山升降车租赁, 佛山升降车价格, 佛山升降车,  结构优化设计目前主要分为三类：分别是形状优化、尺寸优化、拓扑优化，形状优化主要是通过改变构件的内部或外部的边界形状，从而改善升降车的结构性能、降低升降车的结构制造成本。尺寸优化是目前发展最为成熟的优化手段，主要就是通过计算机内部的计算，通过设定的目标函数，寻求最优的尺寸值。拓扑优化是目前优化设计的前沿领域，目前仍然在一些理论研究阶段，实际工程应用较少。拓扑优化主要是研究结构材料的最佳分布与最佳的传力方式，主要是为了发现新型的机构形式。既可以应用于新升降车的整体结构布局研究，也可以应用于整体结构下单个零件的最佳拓扑形式研究。所有的优化设计其实都是根据设计者给定的步长，将优化问题进行离散，离散成一个个的结构方案，分别进行计算，然后将计算结果与约束条件比较，剔除不满足约束条件的计算结果，然后从满足约束条件的计算结果中提取目标函数变量值，并对其进行比较，从而选择最优的目标。而将优化问题进行离散，就涉及到优化算法问题。传统优化算法有准则法与数学规划法，现代优化方法又包括了遗传算法、神经网络算法、模拟退火法等，因此，对于优化算法的研究也是优化的一个重要方面。

  

     ANSYS优化设计主要由其优化模块“/OPT”完成，而APDL参数化设计语言则是优化设计的核心，所有的建模、分析计算必须通过APDL参数化设计语言才能得以实现。ANSYS优化设计必须通过两个文件共同完成，分别是优化分析文件和优化控制文件。ANSYS优化设计可表述为：对给定的参数进行离散，在满足约束条件的情况下，找到使目标函数变量最小的设计变量的一组解。ANSYS结构优化设计步骤如下：（1）生成分析文件：主要是整个模型的建模与分析程序，在分析程序中必须定义了设计变量、状态变量和目标函数变量。同时，该文件必须是文本TXT文件（利用APDL完成分析过程），或者是ANSYS日志文件（.log文件，GUI操作后生成的文件）。（2）进入OPT，指定分析文件：这一步主要是开始建立优化控制文件，因此首先需要指定分析文件，说明需要优化的对象。（3）声明优化变量：将分析文件中已经定义的变量分别申明为设计变量、状态变量和目标函数等（4）选择优化工具与优化方法（5）指定优化循环的控制方式：包括对于优化算法、计算过程、数据结果的控制。（6）进行优化计算（7）查看结果序列.

     升降装置的结构优化过程,   设计变量对于ANSYS结构优化，设计变量就是要优化的一组变量，一般情况下，工程结构中，影响目标函数取值的变量众多，但是一方面设计变量选择的数目反映了优化求解的规模；另一方面，影响目标函数取值的变量众多，但这些变量对目标函数的影响有大有小，对于那些影响很小的变量，可以忽略其影响，因此，一般在优化之前会进行灵敏度分析，从而合理选择设计变量。对于升降装置的结构优化，主要是因为装置在第一次设计时一般尺寸会给的比较富余，安全系数较大，经过前述的分析，装置整体上满足强度要求，局部结构安全系数较大，因此为充分发挥材料的利用率，协调各结构尺寸，平衡安全系数，减轻升降装置总重，本文对装置进行结构优化。对于装置，其整体结构比较简单，装置设计整体是本着臂体结构进行设计，局部设计上对整个臂体主要传力位置进行加强，然后按照功能性要求增加功能性结构，因而整体上形成了钢板拼焊的结构形式。装置主体的臂体结构截面形状尺寸较为成熟。因此，根据升降装置各部分结构特点，本文选取了装置21个主要零件的板厚作为设计变量，设计变量共21个。

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    约束条件约束条件是在优化过程中对设计变量本身或者是对受设计变量影响的相关量的限制，因此约束条件也分为这两类。（1）对设计变量的约束主要是限制设计变量的变化范围，从而控制优化求解规模，同时也是对设计变量最优解存在区间的预测，从经验上避免无用的求解计算。LiX——设计变量iX的下限；UiX——设计变量iX的上限。（2）对受设计变量影响的相关量的约束受设计变量影响的相关量主要指因为设计变量变化而变化的一些量，对于工程结构而言，主要是结构的刚度、强度、稳定性。对于升降装置而言，结构问题主要是强度问题，本文限制装置的最大等效应力max要小于材料许用应力。升降装置主要材料是Q690D，安全系数取为1.3，许用应力为530MPa，因此取为530MPa本文针对升降装置的优化主要是为了减轻装置总重，平衡各部分安全系数。iV——第i个单元的体积（mm3）；i——第i个单元对应的结构材料密度（t/mm3）；n——单元总数。由于采用实体单元建模，模型整体的节点和单元数目较多，其状态变量和目标函数的导数都不易求得，因此为保证求解的顺利进行，本文采用零阶优化方法。由于各部件最大应力出现工况不同，因此本文分别以第四章的五种工况分析程序作为优化文件，分别完成五种工况下的结构优化，这样得到五组设计变量的解，然后，对每个设计变量按五组解中的最大值进行取值，最后对设计变量按照板厚系列进行圆整。

     优化结果通过对升降装置的结构优化，得到了在满足约束条件下的最优的一组设计变量的解。按照5.2.3节对设计变量最终取值的处理办法，也即将优化后的设计变量向大圆整到板厚系列。设计变量的优化前后的值。优化后，除部分重要臂体，也即一些重要受力位置的板厚未变动外，设计变量所选择的板厚整体上减小了一个板厚系列，说明原始设计对于各部分安全系数的平衡较好，优化对装置整体的尺寸进行减小，因而可以预见装置各部分的相对受力与优化前相当，而装置的绝对受力则增大了一个“层次”，使得材料的力学性能得以充分发挥。优化后，装置总重由1723.8kg下降到1596kg，减重127.8kg，减重比7.41%。其中，吊钩臂、滑移臂由于在优化前受力相对较大，因而选取的设计变量少，减重相对较少。由于副车架油缸支座尺寸减小，最大应力位置由举升臂变化到副车架外，其他各工况最大应力位置均未发生变化，装置各部分的相对受力未发生变化，也就是说各部分的受力的相对大小不变，说明装置初始设计的安全系数较为均衡。经过优化后，装置整体受力均有所增大，但最大等效应力均在许用应力范围内，满足强度要求，充分发挥了材料的力学性能。因此，针对升降装置的结构优化所得结果是有效的、可行的。

 

     首先介绍了结构优化设计的发展概况和ANSYS结构优化设计。然后选取复合臂式升降装置主要构件的板厚尺寸作为设计变量，以减小装置总重为目标函数，限制装置的最大等效应力在许用应力范围内，限制设计变量的变化范围，利用ANSYS软件优化模块对复合臂式升降装置进行结构优化。经过优化后，装置总重由1723.8kg下降到1596kg，减重7.41%，充分发挥了材料的力学性能，有效降低了制造成本。

       CAE仿真分析是缩短升降车研发周期，降低升降车研发成本的有效方法，本文借助CAE仿真分析完成了新型复合臂式升降装置的结构分析与优化。本文的主要研究成果有：（1）结合升降装置初始设计的Pro/e骨架模型，建立装置的数学模型，通过编写计算程序，求解得到装置在两种作业过程每个翻转角度的各油缸和铰点力，以及满载箱体对装置的作用力，一方面为初始的铰点设计提供了力学数据，另一方面为后续的结构分析提供了加载力数据。（2）利用ANSYS的APDL参数化设计语言，建立了升降装置的参数化有限元模型，进而通过连续分析对装置两种作业的整个运动过程进行求解，得到装置各部分在整个运动过程中的受力变化情况，同时提取油缸力与铰点力，与数学模型计算结果进行对比，验证了有限元模型力传递的正确性。（3）通过整个运动过程的受力分析，提取危险工况，按照接触分析对装置的危险工况完成进一步的精确分析。通过求解得到穿透量、最大接触应力、臂体最大等效应力与接触刚度的关系，在平衡计算效率与计算精度的基础上合理确定接触刚度，完成装置的接触分析。并进行应力测试实验，对比实验结果与有限元分析结果，验证有限元分析结果的正确性。（4）利用ANSYS优化模块，对升降装置进行优化计算，得到了在满足装置强度需要的情况下，升降装置总重最小的结构尺寸设计方案，充分发挥了材料利用率，一定程度上完成了升降车的最优化设计。 本文的研究为新型复合臂式升降装置设计提供了可靠的计算依据，并将理论分析与实验相结合，有效了缩短了升降车的研发周期、提高了升降车质量、降低了研发与制造成本，为其他机械升降车的研发提供了一种思路与经验。结合本文研究内容以及本文作者在工程机械结构分析领域的一些感悟，对后续的研究提出以下展望：（1）就升降装置升降车设计而言，国内的结构设计整体上仍然以模仿国外同类升降车为主。对于升降车的结构优化，可以对升降车的整体结构进行拓扑优化，利用CAE仿真分析技术开发升降装置新的结构形式；（2）就升降装置的力学分析而言，从力学角度，装置本身仍然存在着疲劳与结构稳定性问题，有必要从这两个角度进行进一步的研究；（3）就工程机械的结构分析而言，工程机械大多通过板材、桁架结构焊接而成，目前的结构有限元分析往往对焊接进行简化，如何在整体分析中合理考虑焊接的影响，将是对工程机械结构分析的一个研究方向。

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