CN106021797A - 一种起重机环梁的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机环梁的设计方法，属于机械部件设计领域。设计方法包括：构建环梁的初始化几何模型；对初始化几何模型进行离散，以得到离散体；在离散体的基础上，设定载荷条件、边界约束条件和材料属性；结合载荷条件、边界约束条件和材料属性，采用有限元法计算得到有限元仿真模型；采用拓扑优化法对有限元仿真模型进行优化，以得到优化结果模型；在优化结果模型上设置应力值区间，并设定等应力线数量N，在应力值区间内等差选择N个应力值，在环梁上分别选取具有应力值的所有应力点，将应力值相等的应力点连接起来以得到等应力线；根据等应力线对优化结果模型进行强度性能校核，以得到环梁。本发明缩小了环梁的优化设计周期。

Description

一种起重机环梁的设计方法

技术领域

本发明属于机械部件设计领域，特别涉及一种起重机环梁的设计方法。

背景技术

环梁是起重机的重要支撑部件，起到承载升降平台的作用。在设计起重机的过程中，针对环梁的减重设计是十分重要的部分。

现在常见的设计方法为首先根据经验类比构型得到环梁的初始化几何模型，然后通过有限元法得到环梁的有限元仿真模型，接着在有限元仿真模型的基础上对环梁的结构进行反复的优化，最后得到合乎要求的环梁。

然而在利用该方法设计环梁时，初始化几何模型的设计起到了至关重要的作用，之后对初始化几何模型的优化过程只能通过被动校核与再设计的反复循环实现，所以一旦初始化几何模型设计的不正确，那么之后的优化周期将十分的漫长。

发明内容

为了解决现有的设计方法优化周期长的问题，本发明实施例提供了一种起重机环梁的设计方法。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种起重机环梁的设计方法，所述设计方法包括：

构建环梁的初始化几何模型；

对所述初始化几何模型进行离散，以得到离散体；

在所述离散体的基础上，设定载荷条件、边界约束条件和材料属性；

结合所述载荷条件、所述边界约束条件和所述材料属性，以所述离散体为基础，采用有限元法计算得到有限元仿真模型；

采用拓扑优化法对所述有限元仿真模型进行优化，以得到优化结果模型；

在所述优化结果模型上设置应力值区间，并设定等应力线数量N，在所述应力值区间内等差选择N个应力值，在所述环梁上分别选取具有所述应力值的所有应力点，将应力值相等的所述应力点连接起来以得到等应力线；

根据所述等应力线对所述优化结果模型进行强度性能校核，以得到所述环梁。

进一步地，所述构建环梁的初始化几何模型，包括：根据所述环梁的结构，确定所述环梁的尺寸参数，根据所述尺寸参数构建所述环梁的初始化几何模型。

进一步地，所述环梁的结构包括：环状结构的外壳板、内筋板和四个安装孔，所述内筋板安装在所述外壳板内，所述四个安装孔沿圆周方向设置在所述外壳板的侧壁上。

进一步地，将所述外壳板分为上面板、下面板、内圆板和八个外面板，所述八个外面板依次首尾相连形成环状结构，所述环状结构的上边与所述上面板的外边缘相连，所述环状结构的下边与所述下面板的外边缘相连，所述内圆板的两端分别与所述上面板的内边缘和所述下面板的内边缘相连。

进一步地，所述对所述初始化几何模型进行离散，包括：将所述初始化几何模型转化为由有限个单元组成的所述离散体，所述离散体的单元数为32248个。

进一步地，所述设计方法还包括：所述载荷条件和所述边界约束条件均根据所述环梁的最大载荷设定。

进一步地，将所述环梁的最大载荷为设为350MPa。

进一步地，所述采用拓扑优化法对所述有限元仿真模型进行优化，包括：将所述环梁的材料分布作为优化的变量，将降低所述环梁的质量作为优化的目标。

进一步地，所述采用拓扑优化法对所述有限元仿真模型进行优化，还包括：在对所述有限元仿真模型进行优化的过程中加入优化性能约束，所述优化性能约束为静载变形约束、谐振频率约束和质量约束中的至少一种。

进一步地，所述根据所述等应力线对所述优化结果模型进行强度性能校核，包括：选取与各所述等应力线间距最近的节点，并获取各个所述节点的应力值，参照所述应力值和所述等应力线来判断所述优化结果模型的强度性能是否符合标准。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本实施例通过首先构建环梁的初始化几何模型，接着对初始化几何模型进行离散得到离散体，然后在离散体的基础上，设定载荷条件、边界约束条件和材料属性，并结合载荷条件、边界约束条件和材料属性，以离散体为基础，采用有限元法计算得到有限元仿真模型，接着采用拓扑优化法对有限元仿真模型进行优化得到优化结果模型，最后对优化结果模型进行强度性能校核得到环梁，由于拓扑优化法可以主动设定与环梁相关的约束条件，所以避免了被动优化，从而缩小了环梁的优化设计周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种起重机环梁的设计方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的一种起重机环梁的设计方法的流程图；

图3是本发明实施例二提供的环梁的内部结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的环梁的结构示意图；

图5是本发明实施例二提供的有限元仿真模型的结构示意图；

图6是本发明实施例二提供的优化结果模型的结构示意图；

图7是本发明实施例二提供的等应力线的布置示意图。

图中各符号表示含义如下：

1-外壳板，11-上面板，12-下面板，13-内圆板，14-外面板，2-内筋板，3-安装孔，4-桩腿插孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供的一种起重机环梁的设计方法，如图1所示，该设计方法包括：

步骤101：构建环梁的初始化几何模型。

步骤102：对初始化几何模型进行离散，以得到离散体。

步骤103：在离散体的基础上，设定载荷条件、边界约束条件和材料属性。

步骤104：结合载荷条件、边界约束条件和材料属性，以离散体为基础，采用有限元法计算得到有限元仿真模型。

步骤105：采用拓扑优化法对有限元仿真模型进行优化，以得到优化结果模型。

步骤106：在优化结果模型上设置应力值区间，并设定等应力线数量N，在应力值区间内等差选择N个应力值，在环梁上分别选取具有应力值的所有应力点，将应力值相等的应力点连接起来以得到等应力线。

步骤107：根据等应力线对优化结果模型进行强度性能校核，以得到环梁。

本实施例通过首先构建环梁的初始化几何模型，接着对初始化几何模型进行离散得到离散体，然后在离散体的基础上，设定载荷条件、边界约束条件和材料属性，并结合载荷条件、边界约束条件和材料属性，以离散体为基础，采用有限元法计算得到有限元仿真模型，接着采用拓扑优化法对有限元仿真模型进行优化得到优化结果模型，最后对优化结果模型进行强度性能校核得到环梁，由于拓扑优化法可以主动设定与环梁相关的约束条件，所以避免了被动优化，从而缩小了环梁的优化设计周期。

实施例二

本发明实施例提供的另一种起重机环梁的设计方法，如图2所示，该设计方法包括：

步骤201：构建环梁的初始化几何模型。

这样，可以确定环梁的基础轮廓外形，为步骤202提供了优化基础。

具体地，根据环梁的结构，确定环梁的尺寸参数，并根据环梁的尺寸参数构建环梁的初始化几何模型。其中，尺寸参数可以为环梁的轮廓外形尺寸和功能尺寸，轮廓外形尺寸可以具体为环梁的长度、宽度和高度等，功能尺寸可以具体为环梁的装配件的尺寸，装配件可以具体为环梁的安装孔和桩腿插孔，环梁的具体结构请详见下文描述。

例如：如果将轮廓外形尺寸中的长度、宽度和高度均设为1m，那么初始化几何模型即为边长1m的立方体构件，容易理解的，如果将桩腿插孔的孔径设为0.5m，孔深设为1m，那么将在上述立方体构件内得到一个相应的通孔。

参见图3和图4，在本实施例中，环梁的结构包括：环状结构的外壳板1、内筋板2、和四个安装孔3，内筋板2安装在外壳板1内，四个安装孔3沿圆周方向设置在外壳板1的侧壁上。

具体地，将外壳板1分为上面板11、下面板12、内圆板13和八个外面板14，八个外面板14依次首尾相连形成环状结构，环状结构的上边与上面板11的外边缘相连，环状结构的下边与下面板12的外边缘相连，内圆板13的两端分别与上面板11的内边缘和下面板12的内边缘相连。其中，上面板11、下面板12、内圆板13和八个外面板14共同构成环梁的外轮廓，内圆板13构成环梁的桩腿插孔4，桩腿插孔4与安装孔3均为环梁的装配件。

步骤202：对初始化几何模型进行离散，以得到离散体(详见图5)。

这样，可以将初始化几何模型离散为多个相关联的单元进行分析，即实现了用有限数量的未知量(相关联的单元)去逼近无限数量的未知量(环梁)，以得到较为精确的模拟结果。

具体地，将环梁的初始化几何模型转化为由有限个单元组成的离散体，实现时，由于环梁结构不像杆梁结构那样在内部存在自然的连接节点(例如杆件与梁件之间的连接点)，而是以连续介质的形式相互关联，所以需要将环梁作为连续体，并通过网格划分的方式将连续体转化为有限个单元组成的离散体。

这样，便于计算机的计算，从而达到探究连续体的性能的目的。

更具体地，离散体的单元数为32248个。其中，单元数由单元尺寸决定，单元尺寸越小，单元数越大，反之，单元尺寸越大，单元数越小。值得说明的是，单元尺寸可以在获取有限元仿真模型时进行人为设定，并且，由于单元数越大，计算机的求解精度越高，相应的求解效率则越低，所以优选地将单元尺寸设定为20mm*20mm*20mm，以得到单元数为32248个的实体单元模型，该单元数较为适中，既能够保证较高的求解精度，也能够具有较高的求解效率。当然，在其他实施例中，也可以根据实际的需求对单元数做出相应的调整，本发明对此不做限制。

步骤203：在离散体的基础上，根据环梁的最大载荷设定载荷条件和边界约束条件，并在后续计算的过程中(建立有限元仿真模型的过程中)不断逼近设定的载荷条件和边界约束条件。其中，环梁的最大载荷可以根据实际工况进行设置，其数值需要大于环梁在实际工况下所承载的最大载荷。

优选地，将环梁的最大载荷为设为350MPa。

步骤204：在设定载荷条件和边界约束条件之后，设定材料属性。

这样，提高了计算机的求解精度。

具体地，材料属性可以包括密度、弹性模量和泊松比等。

步骤205：结合载荷条件、边界约束条件和材料属性，以离散体为基础，采用有限元法计算得到有限元仿真模型。从而使得最终得到的有限元仿真模型满足设定的载荷条件和边界约束，且具有设定的材料属性。

步骤206：采用拓扑优化法对有限元仿真模型进行优化，以得到优化结果模型(详见图6)。

实现时，首先在有限元仿真模型上分别设定优化区域和非优化区域，然后确定优化设计变量并施加优化性能约束，接着确定优化目标，最后采用拓扑优化法对有限元仿真模型进行优化得到优化结果模型。

其中，优化区域即为需要进行拓扑优化的区域，相应的，非优化区域为不需要进行拓扑优化的区域。在本实施例中，可以将安装孔3和桩腿插孔4设为非优化区域，相应的除此之外的部分即为优化区域，从而能够避免了装孔3和桩腿插孔4的原始尺寸参数和位置特征在拓扑优化的过程中被改变，进而保证了安装孔3和桩腿插孔4的功能性。

具体地，将环梁的材料分布作为优化设计变量，将降低环梁的质量作为优化目标。

其中，优化目标可以根据实际的设计需求进行相应的选择，例如，在本实施例中，设计需求为减轻环梁的自重，那么优化目标就可以为降低环梁的质量，本发明对此不做限制。

更具体地，在对有限元仿真模型进行优化的过程中加入优化性能约束，优化性能约束为静载变形约束、谐振频率约束和质量约束中的至少一种。

步骤207：对优化结果模型进行强度性能校核，以得到环梁。

具体实现时，在优化结果模型上设置应力值区间，并设定等应力线数量N，在应力值区间内等差选择N个应力值，在优化结果模型上分别选取具有上述应力值的所有应力点，将应力值相等的应力点连接起来以得到等应力线，从而可以根据等应力线获取优化结果模型的真实受力情况。在上述实现方式中，应力值区间和等应力线数量均可以根据实际需求人为设定，例如，如果需要保证获取的受力情况的精确度，那么就可以适当增加等应力线数量，以使得受力情况更真实，如果对获取的受力情况的精确度要求不高，并且希望能够快速的得到分析结果，那么就可以适当的减少等应力线数量，以降低计算机的计算量，在本实施例中，取6条等应力线。值得说明的是，应力值区间内的最大应力值即为设计时设定的许用应力，许用应力应该小于环梁的材料的屈服强度，在本实施例中该屈服强度设为350MPa。由于，强度性能校核主要是验证环梁的最大应力值及最大应力值所处的位置是否满足要求，所以在强度性能校核中一般不设定应力值区间内的最小应力值。此外，在设定许用应力时，可以设定一个安全系数，例如设定的安全系数为1.5，那么许用应力相应的变化为350MPa/1.5≈233MPa，容易理解的，安全系数可以根据实际需求进行选择，本发明对此不作限制。

为了更进一步地准确获取优化结果模型的真实受力情况，可以选取与各等应力线间距最近的节点，并获取各个节点的应力值，从而可以参照各个节点的应力值和等应力线来判断优化结果模型的强度性能是否符合标准。当然，如果节点正好位于等应力线上，那么选择该节点。其中，节点即为各相邻单元之间的连接点。

在本实施例中，每个等应力线附近节点的应力值如下表所示：

节点	a	b	c	d	e	f
							应力值(MPa)	189.37	215.28	326.54	266.74	157.96	90.81

本实施例通过首先构建环梁的初始化几何模型，接着对初始化几何模型进行离散得到离散体，然后在离散体的基础上，设定载荷条件、边界约束条件和材料属性，并结合载荷条件、边界约束条件和材料属性，以离散体为基础，采用有限元法计算得到有限元仿真模型，接着采用拓扑优化法对有限元仿真模型进行优化得到优化结果模型，最后对优化结果模型进行强度性能校核得到环梁，由于拓扑优化法可以主动设定与环梁相关的约束条件，所以避免了被动优化，从而缩小了环梁的优化设计周期。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种起重机环梁的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

构建环梁的初始化几何模型；

对所述初始化几何模型进行离散，以得到离散体；

在所述离散体的基础上，设定载荷条件、边界约束条件和材料属性；

结合所述载荷条件、所述边界约束条件和所述材料属性，以所述离散体为基础，采用有限元法计算得到有限元仿真模型；

采用拓扑优化法对所述有限元仿真模型进行优化，以得到优化结果模型；

在所述优化结果模型上设置应力值区间，并设定等应力线数量N，在所述应力值区间内等差选择N个应力值，在所述环梁上分别选取具有所述应力值的所有应力点，将应力值相等的所述应力点连接起来以得到等应力线；

根据所述等应力线对所述优化结果模型进行强度性能校核，以得到所述环梁。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述构建环梁的初始化几何模型，包括：

根据所述环梁的结构，确定所述环梁的尺寸参数，根据所述尺寸参数构建所述环梁的初始化几何模型。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述环梁的结构包括：环状结构的外壳板、内筋板和四个安装孔，所述内筋板安装在所述外壳板内，所述四个安装孔沿圆周方向设置在所述外壳板的侧壁上。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，将所述外壳板分为上面板、下面板、内圆板和八个外面板，所述八个外面板依次首尾相连形成环状结构，所述环状结构的上边与所述上面板的外边缘相连，所述环状结构的下边与所述下面板的外边缘相连，所述内圆板的两端分别与所述上面板的内边缘和所述下面板的内边缘相连。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述对所述初始化几何模型进行离散，包括：

将所述初始化几何模型转化为由有限个单元组成的所述离散体，所述离散体的单元数为32248个。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括：所述载荷条件和所述边界约束条件均根据所述环梁的最大载荷设定。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，将所述环梁的最大载荷为设为350MPa。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述采用拓扑优化法对所述有限元仿真模型进行优化，包括：

将所述环梁的材料分布作为优化的变量，将降低所述环梁的质量作为优化的目标。

9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述采用拓扑优化法对所述有限元仿真模型进行优化，还包括：

在对所述有限元仿真模型进行优化的过程中加入优化性能约束，所述优化性能约束为静载变形约束、谐振频率约束和质量约束中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述等应力线对所述优化结果模型进行强度性能校核，包括：

选取与各所述等应力线间距最近的节点，并获取各个所述节点的应力值，参照所述应力值和所述等应力线来判断所述优化结果模型的强度性能是否符合标准。