基于有限元法及工程選優(yōu)一體化技術(shù)研究.pdf

1、本世紀五十年代開始，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了各種數(shù)學(xué)方法的發(fā)展和應(yīng)用。有限元法作為20世紀50年代發(fā)展起來的一種有效的數(shù)值分析方法隨著計算機的飛速發(fā)展而迅速發(fā)展起來，成為結(jié)構(gòu)分析中的強有力的工具。在工程設(shè)計領(lǐng)域，許多工程結(jié)構(gòu)用有限元單元法進行分析，極大地提高了設(shè)計精度，帶來了巨大的效益。 與此同時，優(yōu)化設(shè)計引入工程設(shè)計中，利用計算機進行最優(yōu)方案的選擇，極大地縮短了設(shè)計時間，節(jié)省了材料成本，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的性能，獲得了較

2、好的經(jīng)濟利益。隨著時代的發(fā)展，對工程結(jié)構(gòu)的要求越來越高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要考慮的因素也越來越多，同時也要求用能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元單元法來產(chǎn)生優(yōu)化過程中需要的應(yīng)力、位移等數(shù)值。研究如何將有限元單元法與優(yōu)化設(shè)計方法結(jié)合，應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，是近年來結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域中的一個主要研究內(nèi)容。 塔式起重機(簡稱塔機)是現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑的主要施工機械之一，是完成大量的建筑材料需由地面向上層輸送垂直輸送效率最高的起重設(shè)備之一。塔機具有工作效率高、

3、適用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高、操作方便，以及安裝與拆卸較為簡單等特點，應(yīng)用塔式起重機對加快施工進度，縮短工期，降低工程造價起著至關(guān)重要的作用。在我國建筑安裝工程中已成為一種主要的施工機械。目前，我國已有塔機生產(chǎn)廠家300余家，年產(chǎn)塔機達一萬臺，年產(chǎn)值達幾十億元，是名副其實的塔機生產(chǎn)大國。在塔式起重機中，金屬結(jié)構(gòu)的重量約占40％～70％，因此，進行塔機金屬結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計對塔機性能的提高和成本的降低有著重要的意義。提高性能，合理利用材

4、料，減輕自重，從而減低制造的金屬材料消耗是今后金屬結(jié)構(gòu)發(fā)展的目標，而要實現(xiàn)這個目標，就必須采用先進的設(shè)計計算方法。針對塔式起重機各部分結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行優(yōu)化，已經(jīng)有很多人做過工作，這些工作對提高我國塔式起重機的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平起了重要的作用。但這些優(yōu)化大多都是采用傳統(tǒng)的計算方法來獲得優(yōu)化的約束和目標函數(shù)數(shù)值。由于受計算理論與方法的限制，其約束和目標函數(shù)值的得出耗時且有一定的誤差，特別是對于大型的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式來說這一缺點更為嚴重。 本課

5、題將有限元和優(yōu)化設(shè)計方法二者結(jié)合起來進行塔機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，利用有限元法對結(jié)構(gòu)進行計算，從計算結(jié)果中提取優(yōu)化過程中所需的約束條件值和目標函數(shù)值進行優(yōu)化。程序中有限元模型采用參數(shù)化方法建立；只需要輸入建立結(jié)構(gòu)必須的一些參數(shù)，就可以方便地建立有限元模型并進行計算，并且參數(shù)化模型中的尺寸修改十分方便。 由于塔機金屬結(jié)構(gòu)的選材主要由型鋼構(gòu)成，其優(yōu)化模型中的許多參數(shù)或變量只能取型鋼有限的離散值，因此應(yīng)該選擇一種能求解離散變量優(yōu)化問題的解法

6、，由于ANSYS應(yīng)用廣泛，通過其提供的二次開發(fā)語言APDL可以較容易的實現(xiàn)參數(shù)化建模、分析和優(yōu)化等功能，本文從工程設(shè)計的實際出發(fā)，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化與ANSYS有限元分析相結(jié)合，提出了適用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的離散變量工程設(shè)計選優(yōu)的方法。 通過研究，最終編制出塔機臂架結(jié)構(gòu)有限元分析及選優(yōu)系統(tǒng)程序。該程序能對常見的塔式起重機的臂架結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化建模、分析；并能夠?qū)Ρ奂艿亩喾N設(shè)計方案進行選優(yōu)，通過與實際塔機產(chǎn)品的計算對比，證明該程序的計算結(jié)果是基本正