基于ANSYS的岸桥前大梁疲劳分析.pdf
王昊飞 刘龙
[摘 要]大型岸边集装箱起重机（简称岸桥）是重要的港口机械，岸桥的前大梁是主要承受载荷的构件，而前大梁双拉杆吊点位置影响着岸桥前大梁的应力分布，因此，对拉杆位置的选择及优化有重要的意义。首先建立前大梁的参数化有限元模型，借助Ansys软件对其进行静力强度分析；然后借助Isight软件以前大梁各段应力分布更平均为目标，同时满足强度约束建立优化模型，选用Isight内嵌的下山单纯型法进行优化设计，得出优化结果。研究结果表明，用Isight进行优化设计，工作量小，求解问题简单方便，得到的拉杆吊点位置更为合理。
[关键词]岸桥；Ansys；Isight；拉杆；优化设计
中图分类号：U641.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0104-02
Optimization of the position of the hoisting point in the front girder of the crane based on Isight and Ansys
WANG Haofei1 LIU Long
（Shanghai Maritime Univeristy，Logistics Engineering College，Shanghai 201306，China）
[Abstract]Quayside container crane is a kind of huge port machinery，and the front girder of the crane is a component that mainly bears the load，and the stress distribution of the front girder is affected by the position of the double backstay bars hoisting.Thus，it is of great significance to the selection and optimization of the double backstay bars hoisting. First，the parametric finite element model of the front girder is set up，and the static strength is analyzed with the help of Ansys software.Making the stress distribution in each section of the girder more average as objective function，while meeting the constraints of stress，the optimization model is created using Isight software. Downhill Simplex algorithm，which is embedded in Isight， is used to get optimization results. Final analysis conclusion suggest that using Isight software to optimize and design product can easily get the result and reduce the workload， meanwhile the position of the bars hoisting are more reasonable.
[Key words]Quayside container crane；Ansys；Isight；the bars；optimal design
引言
岸邊集装箱起重机简称岸桥，是集装箱码头前沿装卸集装箱船舶的专用起重机，主要是应用专用集装箱吊具完成集装箱的装卸船作业，岸边集装箱起重机作为港口码头重要的技术物质基础，它体现了港口的生产力水平[1]。
在岸桥工作状态下，拉杆系统起到支撑作用，如何选择杆吊点的位置对前大梁的应力分布有着重要的影响。岸桥拉杆系统一直依赖经验的设计方法，这种经验设计法往往设计效率不高，不具备前瞻性。目前国内外对岸桥前大梁拉杆系统吊点位置优化的相关研究并不是很多。张文正，蒋伟康[2]在有限元的基础上，采用一阶方法对岸桥金属结构进行轻量化设计；刘大强等[3]应用Ansys优化模块对起重机整体金属结构进行优化；陶伟[4]根据经验，选择了几组典型的吊点位置对某岸桥前大梁拉点位置进行了结构优化。在这些研究中，基于经验法及Ansys内部优化模块的拉杆系统优化显然具有局限性，不够充分。
1 岸桥前大梁的优化数学模型
在岸边集装箱起重机上，采用双拉杆支撑的前大梁是一种超静定结构。对于这种超静定结构，类似于单吊点位置的等强度原则，对吊点位置进行优化。基于这一指导思想，本文提出了以追求前大梁上各段的最大应力值尽可能接近为目标的优化设计。前大梁结构简图如图1：
1.1 静强度分析计算工况
岸桥在工作过程中前大梁的受力主要有自重产生的均布载荷、小车自重，吊具系统重量，额定起重量产生的集中载荷，并同时考虑了起升冲击系数、小车运行冲击系数、起升动载系数等。小车在岸桥前大梁段实际工作时，虽然在竖直方向上载荷值大小不变，但是由于小车所处位置不同，岸桥前大梁结构上各个部件所承受的应力也会有很大的不同。本文优化解决的正是应力分布的问题，所以对载荷作用的六个重要位置进行多工况分析。
工况一：移动载荷位于AB段的中点；
工况二：移动载荷位于B点（小拉杆吊点处）；
工况三：移动载荷位于BC段的中点；
工况四：移动载荷位于C点（大拉杆吊点处）
工况五：移动载荷位于CD点的中点；
工况六：移动载荷位于D点（前大梁右极限位置）
1.2 设计变量
拉杆拉点的位置影响前大梁的应力分布，为了找到拉点最优位置，以大、小拉点和前大梁在梯形架处铰点之间的距离为设计变量：小拉杆吊点位置为L1；大拉杆吊点位置为L2。
1.3 优化设计目标函数
通过合理地选择双拉杆拉点的位置，使得移动载荷小车及吊重产生的力移至最大幅度时前大梁的最大应力、载荷移至两吊点之间的最大应力和载荷移至铰点与内前拉杆吊点时的最大应力相近，即为等强度条件。
对于双吊点结构，考虑前大梁拉点分割的三段应力情况，使三段应力差最小来进行优化。因此建立优化设计目标为：
其中：分别对应前大梁AB、BC、CD段最大应力值。
1.4 优化设计约束条件
（1）强度条件
前大梁的强度约束设其（包括拉杆）在六个工况下的最大应力为，则只要满足。就可以满足前大梁的强度要求。
（2）等应力约束
为了加速收敛，根据初始条件下计算结果，前大梁各段应力值差应小于优化前初始值。
（3）几何约束条件
要保证前伸距位置在大拉杆之外，即
其中L为前大梁最大有效长度。
2.Isight集成Ansys的优化方法
Isight是一套可以整合设计流程中所使用的各项软件的工具，并且是一个能自动进行最优化设计的软件系统平台。它融合了设计优化中需要的三大主要功能：自动化功能、集成化功能和最优化功能。Isight 的这种特性使得产品的设计周期
缩短、产品成本降低和品质提升。传统的优化方法是利用建模工具建立所需要的模型，然后导入分析软件，进行产品分析。而本文通过对Isight和Ansys的集成，可以针对不同的问题，且可以任意嵌套和组合各种算法，从而通过智能化的探索，选择新的设计出发点，进而仿真和优化，实现过程的自动化。在每次循环过程中，可以实现实时监控，而且设计的参数输入和输出可以在执行过程中显示，方便控制。
2.1 优化流程
首先，用APDL语言编写LAGAN.txt输入文件控制Ansys对前大梁进行受力分析，将设计变量和分析结果参数化；然后，将Ansys分析结果输出到文本文件static，用于保存约束条件和目标函数；然后用FORTRAN语言编写.bat执行文件用于调用Ansys软件；然后，在 Isight 软件的集成模块中添加一个仿真代码模块，指定输入、输出和仿执行文件并予以解析，将设计变量、约束状态变量、目标函数变量写入Isight软件中，进行相关参数设置；最后利用Isight内部优化算法完成优化问题。
2.2 优化算法
本文中的优化问题选用Isight内部嵌入的下山单纯形法。下山单纯形法（Downhill Simplex）是一种直接搜索方法，使用了单纯形的概念，通过不斷改变单纯形顶点的位置和尺寸实现在设计空间的持续移动。它无需计算函数梯度，具有计算量小，搜索速度快的优点。
3.算例分析
本文参照某型号岸桥的设计参数进行优化分析。待优化的岸桥前大梁基本参数如下，总质量921t，起重质量80t，小车加吊具共79t，小车速度为240m/min，小拉杆与大梁铰点距离大梁与梯形架铰点距离（图1中L1）为27.6m，大拉杆与大梁铰点距离大梁与梯形架铰点距离（图1中L2）为57.3m，前大梁最大有效长度为65m（图1中L），前大梁的材料为Q345钢，弹性模量（），泊松比（）。
3.1 算例约束条件
（1）强度条件
该岸桥前大梁所用材料主要为Q345钢，取安全系数为1.5，则Q345材料的许用应力为345/1.5=230MPa，由于没有考虑结构刚度方面的条件，主要计算以强度控制条件的结构设计。拉杆系统是悬臂结构，采取降低许用应力值的办法考虑刚度条件。故许用应力值取。
（2）等应力约束
通过计算初始状态，前大梁各段应力值差应小于22MPa。
（3）几何约束条件
3.2 优化结果
使用下山单纯形法优化完成后结果如表1所示：
由表1可见优化后六个工况对应的前大梁及拉杆最大应力值，皆小于强度许用值；对比优化前后结果，目标函数W值减小很多，优化效果明显，实现了更优的前大梁应力分布。
通过分析图2可以看出W值的降低伴随着L2的增大，可以推断出前大梁悬臂端的长度（AD端长度）对整个大梁系统的应力影响较大，岸桥前大梁的悬臂端长度不能过大。
4 总结
本文采用Isight集成Ansys的方法对岸桥前大梁拉杆系统进行了优化研究，得到了明显的优化结果。该方法大大减少了重复工作，提高了设计效率、质量以及自动化程度，具有收敛速度快，稳定性和可靠性高等优点；同时Isight优化平台中参数输入界面友好、简单，有很多优良的优化算法可供选择，并且结果查看直接明了。
参考文献
[1] 袁福昌等.集装箱装卸搬运机械[M].武汉：港口装卸杂志社，1988：147-184.
[2] 张文正，蒋伟康.大型岸桥结构的轻量化技术研究及应用[J].机械强度，2012，34（4）：615-620.
[3] 刘大强，徐洪泽，冷松.岸边集装箱起重机结构优化设计[C].第八届物流工程学术年会论文集，2008.
[4] 陶伟.基于ANSYS的岸桥前大梁结构动态响应分析与优化[D].上海：上海海事大学，2017-5.
基金项目
上海科委科技创新行动计划项目（17DZ1101401）。
作者简介
王昊飞，男，1994年生，山西长治人，硕士。研究领域：港口机械。
