iSIGHT: 第六章 单梁起重机结构优化设计

6.1 工程与概述

在现代化工业生产中，起重机在重大物件的搬运与装卸中起到了重大作用。然而长期以来，起重机结构设计一直采用手工许用应力设计法。该方法的原理是使外载荷的结构及连接接头中产生的应力和变形不超过结构的承载能力和许用应力值；该方法使用简便，能满足设计要求，在以往的设计中也发挥了巨大的作用。但该方法在设计中将有关参数均看成定值，并为了确保安全凭经验选定一些安全系数，其结果是结构要么强度差，要么多消耗材料。近几十年来，起重机在设计和制造方面都有了很大的改进，尤其是随着有限元等数值仿真软件的出现，在结构设计方面已经从静态分析扩展到动态分析，有限元法优化设计等新的计算技术也得到了广泛应用。

本章以单梁起重机为研究目标，在对其安全性校核的基础上，对其主梁界面尺寸进行优化。

6.2 优化问题描述

6.2.1 单梁起重机强度校核分析模型

6.2.1 单梁起重机

图6.2.1的单梁起重机即为本案例的分析对象，它由桥架、大车运行机构、电动葫芦及电气设备等部分组成。工作时，桥架沿车梁上的起重机轨道运行，通过电葫芦来完成物体的升降及沿主梁方向平移。该型号起重机额定载重为20KN，主梁跨距为L=3m，主梁截面尺寸如图6.2.2所示。

通过对工作过程的分析，该起重机的受力可以简化为一个受移动载荷的简支梁，如图6.2.1所示。

本案例要求通过对截面尺寸的合理选择，达到在满足挠度要求的前提下实现主梁轻量化的目标。

6.2.2 主梁截面尺寸	6.2.3 起重机受力简图

 

6.3 集成软件的选择

本案例选择大型通用软件ANSYS11.0进行强度校核分析。

6.3.1 ANSYS驱动格式介绍

在启动ANSYS的时候，用户可以选择交互或批处理运行模式。在交互模式下，用户可以不时地和软件进行人机交互，对计算分析过程进行控制。而在批处理模式下，用户可以提交命令文件来运行软件。在一些操作系统中，用户可以一边做其它工作，一边在后台运行一批处理作业。当用户不需要与软件进行交互作业时，如在求解阶段，该模式常常能提高计算效率。

用户可以采用ANSYS支持的脚本语言来运行该软件，其后台运行驱动命令格式如下：

start /min "<drive>:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\ansys110" A₁ B₁ A₂ B₂…

前台运行驱动命令格式如下：

"<drive>:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\ansys110" A₁ B₁ A₂ B₂…

其中，A_i为选项标识，相应地B_i为对该标识的解释（内容）。常用的选项如表6.1所示。

表6.1

选项	内容解释
－b list or nolist	激活ANSYS程序批处理模式。选项－b list or－b用以让输出文件中包括在输入文件内容
-dir	定义初始的工作目录
-i inputname	指定批处理模式的输入文件
-j Jobname	指定初始的文件名称，用以给程序所产生的所有文件命名。
-ooutputname	用以指定保存批处理模式下输出结果文件名称

例：

"C:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\intel\ansys110" -b -i vm2.dat -o vm2.out

该命令以批处理的方式在后台运行安装在C盘下的ANSYS软件，并指定vm2.dat为输入文件，vm2.out为输出文件。

6.4起重机主梁校核有限元计算模型介绍

根据6.2.2、6.2.3的受力模型与主梁截面图，可以在ANSYS中建立主梁的几何模型，并对其划分网格，如图6.4.1所示。

图 6.4.1系统网格模型

6.5 主梁优化模型

6.5.1 主梁优化系统结构特点

起重机工作时主梁处于弹性状态且挠度较小，因此本案例分析类型为线性，相应的优化也为线性优化。

6.5.2 目标函数选择

根据要求质量应该是最终的目标函数，在主梁跨距一定的情况下截面面积与质量成正比，所以优化时选取截面面积A作为目标函数，其与有优化变量如下关系式成立：

.

6.5.3 设计变量的选择

在优化过程中，把主梁截面尺寸所有参数作为优化设计变量，把梁的挠度作为约束；另外，为了模拟起重机在主梁上的移动把载荷作用位置变量L0也作为设计变量。

6.6.4 优化模型

主梁优化问题可以用以下的线性规划模型表示：

是设计变量，为工字梁截面尺寸参数；

是目标函数，为梁截面面积；

是优化问题必须满足的不等式约束，它为梁的挠度。

6.6.5 优化算法的选择

这里采用Modified Method of Feasible Directions优化方法对本分析问题进行了优化分析

6.7 输入、输出文件格式及其分析

本案例的输入、输出文件分别为cranein.txt和craneout.lis。下面我们分别对输入、输出文件结构进行分析。

6.7.1 输入文件格式分析

本案例以主梁的截面参数为优化变量，为提高文件解析的效率在输入文件开始定义这些参量，其在文件cranein.txt中如下：

/BATCH

/FILNAME,CRANE

/TITLE,JING QIANG DU FEN XI

L=30

L0=15

W1=5

W2=5

W3=9

T1=3

T2=3

T3=3

MJ=W1*T1+W2*T2+(W3-T1-T2)*T3

IZ1=(W1*T1**3)/12+W1*T1*((T1+W3)**2)/4

IZ2=(T3*W3**3)/12

IZ3=(W2*T2**3)/12+W2*T2*((T2+W3)**2)/4

IZ0=IZ1+IZ2+IZ3

/prep7

…..

6.7.2 输出文件格式分析

Ansys计算结束后，通过单元表操作输出单元的最大挠度，其在craneout.lis位置如下：

……

***** POST1 ELEMENT TABLE LISTING *****

 

STAT CURRENT

ELEM DEF

1 0.78717E-03

2 0.30926E-02

3 0.63727E-02

4 0.96528E-02

5 0.11958E-01

6 0.11958E-01

7 0.96528E-02

8 0.63727E-02

9 0.30926E-02

10 0.78717E-03

 

MINIMUM VALUES

ELEM 1

VALUE 0.78717E-03

 

MAXIMUM VALUES

ELEM 6

VALUE 0.11958E-01

……

6.8 iSIGHT集成优化

采用iSIGHT平台解决优化问题的流程，总共包括如下软件集成、优化建模、优化任务设置、任务分析与进程监控和结果分析五部分。下面对每个部分分别进行叙述。

6.8.1软件集成

6.8.1.1 添加集成代码

由以上叙述可知，本案例用的软件为ANSYS11.0，所需要的求解器的可执行文件为ansys110.exe，它的位置为"D:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\intel\"。在软件运行时，还需要指定模型信息输入文件（cranein.txt），故在"Optional command argument"栏中需要输入以下内容：

-b -i D:\RecentPaper\IsightReferenceBook\casedebug\crane\cranein.txt -o D:\RecentPaper\IsightReferenceBook\casedebug\crane\craneout.txt。

在求解的过程ANSYS11.0会产生一些辅助文件，也通过DOS命令给以删除。溢出时间设为200，最终设置如图6.8.1所示

图6.8.1 集成代码添加设置

6.8.1.2输入文件分析

输入文件格式及优化变量在其中的位置如6.7所述。由于设计变量定义在文件的开始，并且每一个设计变量值前面都有"="，所以通过搜索的方式让光标移到相应的变量前，再进行替换操作，相关设置如图6.8.2所示。

图6.8.2 输入文件解析设置

图 6.8.3 输出文件解析设置

6.8.1.3输出文件分析

输出文件格式及优化变量值在输出craneout.lis的位置固定，所以通过光标的移动方式进行相关变量值的读取，相应设置如图6.8.3所示。

 

6.8.2 参数计算

本案例的目标函数为梁的体积，而主梁长度一定时其与截面面积成正比，所以体积最小就可以等价转化为梁的截面面积最小。梁的截面面积为上述优化变量（）的函数，且在计算中ANSYS不能直接输出，故采取iSIGHT参数计算的方式获得。

6.8.2.1 添加参数

在参数运算之前，首先需要定义梁截面面积参数AREA。

点击过程集成界面工作栏上的参数按钮，则弹出如图6.8.7所示对话框。点击图中的"Add"按钮，参数"OBJ"下面的一行被激活，用户可以在"Task Task1"一栏中输入所添加变量的名称"AREA"，然后确认返回过程集成界面。

图6.8.7 参数添加

6.8.8 参数计算设置

6.8.2.2添加参数运算块

点击过程集成界面的计算图标，则在工作界面的右半部分添加计算块。点击计算块的内容按钮，则弹出如图6.8.8所示的计算用户界面。

 

6.8.3 优化建模

在参数设置窗口（Parameters）中，设定优化变量的区间范围和目标函数，如图6.8.10所示。

图6.8.10 优化参数设置

5.8.3 优化任务设置

这里采用Modified Method of Feasible Directions优化方法对本分析问题进行了优化分析，相应设置如图6.8.11所示。

图6.8.11优化算法设置图

优化算法设置如图5.8.11所示。

6.8.4数据库选项设置

与前述方法相同不再赘述。

6.8.5 任务分析与进程监控

与前述方法相同不再赘述。

6.9优化结果及其分析

经过迭代求解后的优化结果，如表6.2所示

表6.2 优化结果

参数	初始值	优化值
H	9.0	6.6
W1	6.0	3.5
W2	6.0	3.6
T	3.0	1.0
T1	3.0	1.0
T2	3.0	1.0
DY	0.168119	0.782015
AREA	45	11.7

通过表6.2可以看出，经过优化后主梁的承载能力得到最大程度地利用，同时主梁的重量下降62%。

6.10 工程优化点评与提高

本章通过ISIGH集成ANSYS11.0软件对起重机的主梁进行优化。优化过程中由于主梁重量信息并没有明确体现在输入、输出文件中，本例把重量等效转换为梁的截面积，并通过引入虚拟设计变量的方法建立了其与优化变量的关系。

6.11 多学一招—ANSYS中结果输出方法

根据1.2所述，在iSIGHT集成优化中，所继承软件每次迭代后输出有关变量的计算结果以文件的形式进行输出是确保集成成功的关键。因此，在选择集成软件时应该

在ANSYS中，在命令流文件中一般可采用如下几种方法进行结果的输出。

6.11.1 通过文件写入

在后处理中用*get等命令获取相关优化变量的值，并通过*vwrite命令写出，本案例的相应的操作为：

ALLSEL

NSORT,U,Y ,0,0,ALL

*GET,MAX_N,SORT,0,IMAX ！获取应力最大的节点号MAX_N

*GET,DY,NODE,MAX_N,U,SUM！获取MAX_N节点的应力值单元DY

*cfopen, craneout,lis ！建立、并打开文件

*vwrite,DY ！把变量DY写入文件

(f8.1) ！数据写入格式

*cfclos ！关闭文件craneout.lis

在后处理中，*VGET命令几乎可以获得所有的结果值，同时要再结合循环等命令该方式可以几乎获取任何形式的计算结果，所以该方式的适应性最强。

注：*vwrite命令不能在ansys的命令输入行里边直接运行，必学通过

6.11.2 单元表操作

在后处理中，定义相关单元表，并通过单元表的打印输出相关优化变量的值，本案例的相应命令为：

/OUTPUT,'craneout','lis','D:\RecentPaper\IsightReferenceBook\casedebug\crane\' ！定义输出方式，设置输出文件信息

AVPRIN,0, , ！单元表选项设置

ETABLE,DEF,U,Y !定义单元表DEF

PRETAB ! 单元表输出

该方式是通过单元表的操作输出单元的计算结果，因此该方式尤其适合于对模型整体量的输出，如模型的质量、总应变能等。