CN104008253B - 一种伸缩吊臂动态模型的集成优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伸缩吊臂动态模型的集成优化设计方法，确定伸缩吊臂设计过程中的设计变量、体积目标函数和若干个局部稳定性性能约束条件，利用ISIGHT多学科优化平台和ANSYS有限元分析软件进行集成优化。通过对设计问题智能化的探索，不断选择新的设计初始值，从而进行自动地仿真和优化。在每次循环分析的过程中，ISIGHT可以实现实时的监控，产品的设计参数输入和性能参数输出都可以在过程中显示，方便设计人员进行监控。通过本发明的优化，较好的解决了伸缩吊臂的动态分析问题，最终获得令伸缩吊臂局部稳定性性能更优的全局解。在保证伸缩吊臂承载能力的前提下进一步减小了吊臂的整体体积，在实际使用中取得了良好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用ISIGHT优化平台调用ANSYS有限元分析软件的伸缩吊臂集成优化方法，属于机械设计与自动化领域。
背景技术
随着汽车起重机的起重能力、作业幅度和高度的要求越来越大，需设计自重轻和高承载能力的吊臂。为减轻吊臂自重，需增大吊臂截面的尺寸和高宽比，达到充分利用材料的承载能力。但是吊臂在工作过程中，腹板容易出现局部失稳而破坏，因此有必要对伸缩吊臂的动态性能进行深入优化。对于伸缩吊臂的动态优化应该在保证其局部稳定性约束条件的前提下以高承载、轻自重为目标进行设计。现有的利用ANSYS等软件的优化由于受到软件优化能力的局限，因此并不能得到最优的设计方案。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种伸缩吊臂动态模型的集成优化方法，利用ISIGHT优化平台调用ANSYS有限元分析软件的伸缩吊臂集成优化方法，该方法运用ANSYS对吊臂进行局部稳定性分析，并通过ISIGHT优化平台实现自动循环仿真和优化，并最终取得全局优化解，提高伸缩吊臂的优化效率和优化精度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种伸缩吊臂动态模型的集成优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴在ANSYS有限元分析软件中建立伸缩吊臂动态模型，并通过对吊臂局部稳定性相关性能进行分析后得到集成优化的输入文件input和output输出文件；
⑵ANSYS通过编程的方式与ISIGHT进行集成，选取输入文件中的相关参数作为优化问题的设计变量；
⑶采用批处理的方式借助analysis.bat脚本的方式驱动ANSYS进行有限元分析；
⑷读取输出文件，从中调取吊臂优化问题的目标值、约束值和设计变量优化值；
⑸利用ISIGHT中的优化算法进行设计参数的修正，并将修正后的参数值重新返回到输入文件中，传递至ANSYS进行下一轮优化迭代；
⑹直到输出文件传递出的约束值符合问题需求，则集成优化结束，输出全局最优解。
建立伸缩吊臂动态模型时，首先确定伸缩吊臂的设计变量、体积目标函数和若干个局部稳定性性能约束条件，然后根据这些参量建立吊臂模型。
吊臂局部稳定性相关性能参数至少包括屈曲载荷。
伸缩吊臂动态分析主要考虑基本臂状态。
建立基本臂设计变量、体积目标函数和局部稳定性约束条件如下：
X＝[ω1,H1,W1,R1.A1]
min f＝V
0.8≤ω1≤1.0，0.57≤H1≤0.612,0.37≤W1≤0.404,
F2＝λ*F1/((R1+A1)*1000000)≤484
R1∈[0.0050,0.0060,0.0070]，
A1∈[0.000,0.0010,0.0020]
其中，伸缩吊臂的设计变量集合X中，H1为伸缩吊臂基本臂的高度；W1为基本臂的宽度；ω1为吊臂下截面NURBS曲线的权重值；R1为吊臂基本臂的上半截面板厚；A1为吊臂基本臂上下板厚度差值；λ为最小特征值，F1为吊臂危险截面最大应力值，由此求得屈曲临界载荷F2，要求小于吊臂屈服应力484MPa；min f为吊臂的体积目标函数。
R1+A1为基本臂的下板厚，保证优化过程中基本臂上板厚度不大于其下板厚。
上述步骤(5)为本方法的一个关键步骤，其利用ISIGHT的优化求解能力实现了对ANSYS软件调用后进行自动仿真的功能，并且能够科学的对新的设计变量取值进行选定，从而快速的靠近优化问题的全局优化解。
有益效果：本发明提供的伸缩吊臂动态模型的集成优化方法，通过集成ISIGHT优化平台与ANSYS分析软件可以用来解决不同的分析问题，并且可以嵌套和组合任意的求解策略。通过对设计问题智能化的探索，不断选择新的设计初始值，从而进行自动地仿真和优化。在每次循环分析的过程中，ISIGHT可以实现实时的监控，产品的设计参数输入和性能参数输出都可以在过程中显示，方便设计人员进行监控。通过本发明的优化，最终获得令伸缩吊臂局部稳定性性能更优的全局解。此方法的优化结果精确可信，在保证伸缩吊臂承载能力的前提下进一步减小了吊臂的整体体积，在实际使用中取得了良好的效果。
附图说明
图1为吊臂基本臂截面NURBS曲线图；
图2为本发明的集成流程图；
图3为集成优化可行性验证图；
图4为优化后基本臂位移云图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作更进一步的说明。
建立伸缩吊臂的优化模型
本发明以SQS500A型伸缩吊臂为例，主要涉及参数的初始值如表1所示；
表1优化前吊臂参数一览
在吊臂动态分析过程中，在基本臂臂尾一端施加x,y,z方向的位移约束和x,y方向的转动约束，在基本臂臂头位置按图1中A-I点共分为9段，各节点应力S1-S9取值为定值，各段中间均为均布载荷。
根据上述参数可以建立伸缩吊臂的优化数学模型。
X＝[ω1,H1,W1,R1.A1]
min f＝V
0.8≤ω1≤1.0，0.57≤H1≤0.612,0.37≤W1≤0.404,
F2＝λ*F1/((R1+A1)*1000000)≤484
R1∈[0.0050,0.0060,0.0070]，
A1∈[0.000,0.0010,0.0020]
其中，伸缩吊臂的设计变量集合X中，H1为伸缩吊臂基本臂的高度；W1为基本臂的宽度；ω1为吊臂下截面NURBS曲线的权重值；R1为吊臂基本臂的上半截面板厚；A1为吊臂基本臂上下板厚度差值，即R1+A1为基本臂的下板厚，设置A1是为了保证优化过程中上板厚度不大于下板厚；λ为最小特征值，F1为吊臂危险截面最大应力值，由此求得屈曲临界载荷F2，要求小于吊臂屈服应力484MPa；min f为吊臂的体积目标函数。
如图2所示，结合上述建立的伸缩吊臂的优化数学模型，在ANSYS有限元分析软件中建立吊臂模型，并通过对其局部稳定性相关性能如屈曲载荷等进行分析后得到集成优化的input和output文件；
ANSYS通过编程的方式与ISIGHT进行集成，选取输入文件中的相关参数作为优化问题的设计变量；
采用批处理的方式借助analysis.bat脚本的方式驱动ANSYS进行有限元分析；
读取输出文件，从中调取优化问题的目标值、约束值和设计变量优化值；
利用ISIGHT中的优化算法进行设计参数的修正，并将修正后的参数值重新返回到输入文件中，传递至ANSYS进行下一轮优化迭代；
⑹直到输出文件传递出的约束值符合问题需求，则集成优化结束，得到如图3所示的可行性图，由于可行性达到9即表示优化收敛，因此输出的优化解为全局最优解。应用结果比较
表2为本案的优化结果与现有优化结果之间的对比。
表2吊臂优化前后比较
| 变量值 | 优化前 | 优化后 |
| 基本臂高度H1 | 0.612 | 0.5984 |
| 基本臂宽度W1 | 0.404 | 0.3766 |
| 权重ω1 | 1.0 | 0.85 |
| 上板厚R1 | 0.006 | 0.007 |
| 下板厚增值A1 | 0.000 | 0.000 |
| 屈曲最小特征值λ | 0.02925 | 0.0074 |
| 屈曲临界应力值F2 | 473.53 | 428.39 |
| 体积V | 0.00593 | 0.00435 |
由上表可见，本案所用的优化设计方法在保证满足各项约束条件的前提下吊臂体积优化程度达到26.64％左右，图4所示的基本臂位移云图显示腹板虽然有一定变形但是仍然能够安全工作。本发明优化结果在保证了伸缩吊臂的承载能力的同时，减少了吊臂制作的成本，提升了吊臂的总体工作性能。
本发明运用ANSYS对吊臂进行局部稳定性分析，并通过ISIGHT优化平台实现自动循环仿真和优化，并最终取得全局优化解，提高伸缩吊臂的优化效率和优化精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种伸缩吊臂动态模型的集成优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴在ANSYS有限元分析软件中建立伸缩吊臂动态模型，并通过对吊臂局部稳定性相关性能进行分析后得到集成优化的输入文件input和output输出文件；
⑵ANSYS通过编程的方式与ISIGHT进行集成，选取输入文件中的相关参数作为优化问题的设计变量；
⑶采用批处理的方式借助analysis.bat脚本的方式驱动ANSYS进行有限元分析；
⑷读取输出文件，从中调取吊臂优化问题的目标值、约束值和设计变量优化值；
⑸利用ISIGHT中的优化算法进行设计参数的修正，并将修正后的参数值重新返回到输入文件中，传递至ANSYS进行下一轮优化迭代；
⑹直到输出文件传递出的约束值符合问题需求，则集成优化结束，输出全局最优解；
建立伸缩吊臂动态模型时，首先确定伸缩吊臂的设计变量、体积目标函数和若干个局部稳定性性能约束条件，然后根据这些参量建立吊臂模型；
伸缩吊臂动态分析主要考虑基本臂状态；
建立基本臂设计变量、体积目标函数和局部稳定性约束条件如下：
X＝[ω1,H1,W1,R1.A1]
minf＝V
0.8≤ω1≤1.0，0.57≤H1≤0.612,0.37≤W1≤0.404,
F2＝λ*F1/((R1+A1)*1000000)≤484
R1∈[0.0050,0.0060,0.0070]，
A1∈[0.000,0.0010,0.0020]
其中，伸缩吊臂的设计变量集合X中，H1为伸缩吊臂基本臂的高度；W1为基本臂的宽度；ω1为吊臂下截面NURBS曲线的权重值；R1为吊臂基本臂的上半截面板厚；A1为吊臂基本臂上下板厚度差值；λ为最小特征值，F1为吊臂危险截面最大应力值，由此求得屈曲临界载荷F2，要求小于吊臂屈服应力484MPa；min f为吊臂的体积目标函数。
2.根据权利要求1所述的伸缩吊臂动态模型的集成优化方法，其特征在于：吊臂局部稳定性相关性能参数至少包括屈曲载荷。
3.根据权利要求1所述的伸缩吊臂动态模型的集成优化方法，其特征在于：R1+A1为基本臂的下板厚，保证优化过程中基本臂上板厚度不大于其下板厚。
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| The Case-Based Rapid Design System for Telescopic Boom;Ji Aimin等;《2010 Third International Conference on Information and Computing》;20100606;第3卷;第265-268页 * |
| 基于 ANSYS和iSIGHT的桥式起重机主梁结构轻量化设计;朱小龙等;《矿山机械》;20121231;第40卷(第7期);第52-55页 * |
| 基于平头塔式起重机起重臂动态性能的多目标优化;冯强;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;20081215(第12期);第32、38、42-46页 * |
| 起重机伸缩吊臂截面优化设计;纪爱敏等;《设计开发》;20061231(第3期);第17-20页 * |
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