摘要:文章针对大型吊车桁架结构的角节点,运用实体建模软件Solid Works建立桁架结构角节点的参数化实体模型,借助有限元分析软件ANSYS对此桁架节点进行了优化分析,得到了节点板各参数变化对节点板应力的影响,为类似工程提供参考依据。
关键词:参数化;有限元;桁架节点;节点板参数;ANSYS结构优化
中图分类号:TU352 文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)09-0180-02
一、工程概况
在南通联合重工科技有限公司LPG液罐项目900t起重机栈桥桁架结构的节点试验的基础上,我们提出了节点优化的问题。该起吊装置体量巨大,设计采用圆管类型的构件组成桁架系统实现结构功能。该节点连接形式在国内钢结构设计中第一次采用,本文就是在此节点实验的基础上力求找到最优的节点板形式来实现大型节点设计的优化问题,图 1 即为节点的实体模型。
二、节点有限元模型及节点板参数设计
经过反复的有限元优化分析比较后,节点板采用如下图2所示的结构形式。本文主要对节点板的厚度、宽度、高度以及弦杆连接部位的两个角度尺寸进行了优化。本文应用实体建模软件 Solid Works 建立桁架节点的实体模型并对节点进行相应的参数设计,应用有限元软件 ANSYS 11.0 进行节点板的优化设计分析。
本文中节点模型采用六面体实体单元,网格的划分足以保证计算结果的准确无误,材料采用刚材 Q345 钢,节点有限元模型如图3所示。
三、ANSYS结构优化原理
针对目前存在的求解复杂以及实现困难等优化问题,基于ANSYS优化工具箱,结合面向对象程序设计技术进行结构优化计算,可以取得较好的效果。结构优化设计所涉及数据类型复杂,概念繁多,为此将问题应用类、对象、成员的概念进行数据抽象,将结构优化问题用以下4个类来进行统筹。优化设计要求方案在满足所有的设计要求后所需的支出尽量小,据此定义优化设计中所需的支出为目标类,设计参数的集合作为设计类,设计所需满足的条件为状态类,称用来在优化工具箱中创建实体模型的信息为实体类。
具体到某个优化问题,将上述各类具体化,即产生相应的对象:目标对象、状态对象、设计对象、实体对象、几何参数、物理条件等为对象的数据成员或函数成员。常见的设计对象成员有几何尺寸、材质等,每个设计对象都有上下限,规定设计对象的变化范围。在优化设计过程中,通过改变设计对象成员的数值来求取优化结果。
对目标对象而言,状态对象成员(如力、弯矩、应力、位移等)起着判别式的作用:只有状态对象成员符合给定的限制条件(如应力小于容许应力,变形不超过容许值等),设计才能称之为合理设计,而合理设计是优化设计的前提。统称目标对象、状态对象、设计对象、实体对象为优化对象。结构优化是在状态对象的限制作用下,通过变更设计对象数值来求取目标对象成员最小值的过程。优化过程依次由数据抽象模块、初始化模块、预处理模块、求解模块、后处理模块、优化模块、输出模块组成。
优化模块第一步设定设计对象成员、状态对象成员变化范围,第二步指定目标对象成员函数,确定优化方法及最大优化次数等,进而调用0PEXE函数进行优化迭代计算。
四、节点板的优化分析设计
(一)参数设置
本文的优化设计目标是:在满足节点板应力尽量小的前提下使得节点板的材料用量最省。本文在建模软件 Solid Works 中建立实体模型之后选择设计变量:HW为节点板的高度(软件中将节点板高度和宽度关联,故而只用一个参数HW),DIA001 和 DIA002 分别代表和弦杆连接部位的两个节点板角度,THK为节点板的厚度参数,具体参数标识如图 4所示。参数的变化范围设定见表1:
(二)优化结果
下面为用有限元软件优化得到的结果,各图均以节点板的应力为纵坐标,参数的变化范围为横坐标。具体各参数对节点板应力的影响可如下面各图所示:
据上面各图可见:伴随着节点板高度(HW)的不断增加,节点板的应力不断减小,当节点板的高度超过1600mm时,节点板的应力下降的不再明显,应力趋于水平。我们也可以得到,伴随着节点板的另一个局部角度DIA002的不断变化,节点板的应力并没有变化,可见这个角度的变化对节点板的整体应力基本是没有什么影响。事实上,当我们单独考察DIA002时,发现它对节点板的应力变化时有影响的,上面的计算中之所以没有显示出它的影响,主要是因为节点板最大应力出现的地方时DIA001的圆角处,这个地方的应力一直很大,导致DIA002的影响显示不出来。根据前面的优化目标,软件可以自己得到三组优化结果以供选择,这里选出第一组参数如下:
HW:1515 ;DIA001:976.38;DIA002:523.25THK:25.06;质量:8172;应力:304.82。
将上面的参数稍作修改即可作为设计中所需要的参数,为节点设计提供便利。
事实上,根据上面的四张曲线图,工程人员可以选出自己需要的参数,从而有效的进行节点设计,为工程设计提供便利条件。
五、结论
1.此类型大型钢板节点应结合有限元软件分析设计,以确保设计的准确性、可靠性。
2.Solid Works参数化建模配合有限元软件ANSYS的优化分析功能,可以很好的反应节点各参数变化对节点应力的影响。
3.本文中提出的分析方法以及思路可为工程中节点的设计提供参考依据。
参考文献
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作者简介:吴彩斌(1982-),男,山西人,同济大学土木工程学院硕士研究生,研究方向:桁架节点的优化。