基于ANSYS分析的剪叉式液压升降平台剪叉臂结构优化设计

引 言 升降平台升降平台，是一种多功能的起重装卸机械设 备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升 降平台上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度 输送线的连接装置。由于一般采用液压驱动，因此也被称 为液压升降平台。与其他起升设备相比，液压升降平台的 速度低，并且能精确定位在各种高度，一般作为辅助设备 来使用。但是在现代科技社会迅猛发展的今天，传统生产 方式研发制造的升降平台由于其外形较为笨重，各项性 能都有待提高，已经很难满足人们生产生活的需要，所以 通过科学的手段进行分析计算从而对传统升降平台的外 形与性能进行优化，得到各方面性能都最优的产品已经 迫在眉睫。 ANSYS作为有限元分析工具，可以在很大程度上节 省结构优化问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的分析求解时间，而 ANSYS提供的参数 化设计语言 APDL（ANSYS Parametric Design Language）也为 结构优化设计的数值分析提供了一个良好的开发环境。 利用 APDL的程序语言与宏技术组织管理 ANSYS的有限 元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化载荷与 求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有 限元分析的全过程，同时这也是 ANSYS批处理分析的最 高技术 [1]。本文正是基于 APDL利用其优化设计模块对剪 叉式液压升降平台进行了结构优化设计。 1 剪叉式液压升降平台剪叉臂优化设计的步骤与数据流向 采用 ANSYS对剪叉式液压升降平台的剪叉臂进行结 构优化设计，主要步骤如下。 （1） 生成分析文件。该文件包括整个分析过程，用 ANSYS参数化设计语言 APDL编写。在分析文件中模型的 建立必须是参数化的。通常将优化变量设定为参数，结果 也必须用参数来提取。 （2） 在 ANSYS数据库里建立与分析文件中变量相应 的参数。一般为状态变量和目标函数。 （3）进入 OPT，指定分析文件。 （4）声明优化变量。ANSYS允许超过 60 个设计变量 和不超过 100 个状态变量，但只能有一个目标函数。 （5） 选择优化工具或优化 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ANSYS程序提供了一 些优化工具和方法。默认方法是单次循环。本文中选用零 阶方法，该方法使用所有因变量（状态变量和目标函数） 进行逼近。 （6）指定优化循环控制方式。每种优化方法和工具都 有相应的循环控制参数 ,如最大迭代次数等。所有这些控 制参数的设定都在同一路径下进行。 （7）进行优化分析。 用图 1 表明整个优化过程。优化设计数据流向如图 2 所示： 基于 ANSYS分析的剪叉式液压升降平台 剪叉臂结构优化设计 周莎莎 张荣敏 王仁人 （山东轻工业学院机械与汽车 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，济南 250353） 摘 要 :通过利用 ANSYS有限元优化分析功能对剪叉式液压升降平台剪叉臂结构进行了优化分析，得到最 合理的结构和尺寸。在满足工程要求的前提下 ,节省了大量材料。 关键词：ANSYS 有限元 剪叉臂 优化分析 图 1 优化过程线框图 图 2 优化过程数据流向 初始化设计变量 参数化结构建模 加载与求解 提取优化变量 指定优化分析文件 不收敛收敛 优化结果 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 修正设计变量退出循环 结果后处理 ANSYS数据 库文件 Model Database （有限元模型数据库） Optimization Database （优化设计数据库） OPEXE 循环 文件 优化 结果 输出 文件 分析 文件 SAVE RESUM E OPEXE OPEXE OPRESU OPSAVE 优化数 据文件 设 计 与 研 究 3 2012第 4期 总第 209期现代制造技术与装备 循环 次数 目标函数 VSUM mm3 设计变量 B mm 设计变量 T mm 设计变量 H mm 状态变量 Mpa 1 6661.0 80 .00 8 .000 160.00 11.462 2 5007.1 95 .42 5 .328 167.43 17.755 3 6238.1 90 .77 6 .708 172.25 13.957 4 4841.6 95 .44 5 .815 140.20 16.037 5 6151.3 79 .61 6 .493 187.56 13.964 6 2856.0 76 .90 3 .670 140.14 26.269 7 2442.4 71 .51 3 .209 140.13 29.868 8 2513.9 86 .64 3 .067 140.12 30.209 9 2325.8 70 .42 3 .068 140.12 31.073 10 2456.5 70 .14 3 .027 154.37 31.701 11 2291.3 70 .15 3 .025 140.12 32.425 图 9 目标函数（总体积）变化曲线 2 优化结果及分析 2.1 问题描述 本次研究的液压升降平台中所包含的基本构件组为 一油缸推动三幅剪叉。其结构简图见图 3。因为底层受力 最大，将底层剪叉臂 AD 作为研究对象，其结构示意图如 图 4。 剪叉臂的长度 L=1900mm，弹性模量 E=2.1E5Mpa，泊 松比 0.3，油缸对其推力 13413N。对结构进行尺寸优化，使 剪叉臂体积 V最小。同时要求最大屈服应力 120Mpa，厚度 T取值在 3~9mm之间，宽度 B取值在 70~100mm之间，高 度 H 取值在 140~200mm之间。 根据结构形式选择三维实体力单元 Solid45。采用实体 建模的方法建立有限元模型。选择剪叉臂的体积 V作为 目标函数，将剪叉臂厚度 T，宽度 B，高度 H 作为设计变 量，提取最大屈服应力绝对值 SMAX作为状态变量。 2.2 优化计算 用命令流方式建立分析文件，经过程序计算后，迭代 过程中剪叉臂总体积、截面厚度、截面宽、高、以及最大屈 服应力的动态变化过程的关系曲线如图 5- 9 所示。 2.3 结果分析 从上面各个变量变化曲线可以看出，ANSYS程序在优 化过程中共循环了 11 次，在循环第 7 次时优化对象数据 成员的值已基本稳定。其中优化后剪叉臂总体积由原来 的 6661mm3 下降到 2291.3mm3，减少了 65.6%，这将大大降 低生产过程中的材料消耗，减低成本，从而产生更大的经 济效益。在优化过程中，各个设计变量与状态变量数值均 没有超出极限值，都满足设计要求，所以整个优化分析计 算是合理的。具体优化结果见表 1。 表 1 剪叉臂优化结果循环次数 3 结束语 本文采用 ANSYS分析法对剪叉式液压升降平台的剪 叉臂结构在满足变形与应力约束条件下进行体积最小的 优化设计，得到了最合理的尺寸形状。优化后剪叉臂总体 积由原来的 6661mm3 下降到 2291.3mm3，减少了 65.6%，这 将大大降低生产过程中的材料消耗，减低（下转第 24 页） 图 8 状态变量（屈服应力） 变化曲线 图 3 剪叉式液压升降平台结构简图 图 4 底层剪叉臂结构示意图 图 5 设计变量（截面宽度） 变化曲线 图 6 设计变量（截面高度） 变化曲线 图 7 设计变量（截面厚度） 变化曲线 Y M E C A O1 J l1 I bO2 O3 K W a 12·P P N F D B X R1 L1 L2 L3 L4 施加油缸力 的面 R3 R4 R2 L5 L T H B 4 2012第 4期 总第 209期现代制造技术与装备 （上接第 4 页）成本，从而产生更大的经济效益。 参考文献 [1] 博弈创作室 APOL参数化有限元分析技术及其应用实例[M]. 中国水利水电出版社，2004. [2] 黄海，汤开林，赵振华 .最优化设计方法及其在机械设计中 的应用[J] .硅谷，2011，8：149. [3] 任小丹 .基于 VB 机械优化设计软件的研究与实现 [ J ] .电脑 知识与技术，2010.6. [4] 张朝晖 .ANSYS 12.0 结构分析工程应用实例解析 [M].机械 工业出版社，2001. [5] 严云 .基于 ANSYS 参数化设计语言的结构优化设计 [J ] .华 东交通大学学报，2004.8，21（4）. [6] 商跃进 .有限元原理与 ANSYS 应用指南 [M].北京：清华大 学出版社，2005. The Optimization Design of the Scissor-type Member of Lifting Platform Based on ANSYS ZHANG Rongmin，ZHOU Shasha，WANG Renren （School of Mechanical and Automotive Engineering, Shandong Polytechnic University, Jinan 250353） Abstract : With ANSYS finite element optimized analysis func- tion，the structure of scissor-type arm of the scissor-type hydraulic lifting platform has been optimized. And the paper gets the most rea- sonable structure and dimension on the premise of meeting the engi- neering requirement , the material is saved. Key words：finite element，scissor-type hydraulic lifting platform， optimized analysis 射热对车体和走行装置带来的不良影响。耐火砖与车架 之间铺一层黄沙，对车架有一定的保护作用又能在发生 漏钢事故时快速换砖。 框架由四道横梁和两道阶梯形纵梁组成，均采用箱形 结构，梁体内设筋板，横梁与纵梁连接处设加强筋。在设 计过程中，我们使用三维软件建立车架有限元模型，对梁 体截面进行优化和验证后选择最佳 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，在保证车体使 用强度的基础上降低了制造成本。箱形梁内部预埋穿线 管，既方便了电气管线的布置，又使车辆看上去简洁美 观。走行装置架由型钢焊接而成，吊挂于框架之下两车轮 之间。走行装置架下端面高出轨面 120mm，以防架体被钢 渣等杂物刮到。罐座由钢板焊接而成，上端采用导向结 构，使天车操作人员更容易将钢水包吊装到位。检修盖设 置在走行装置上方，用于检修和更换零部件。清轨器安装 于车架前端，清除轨道上的杂物，使车辆运行更平稳，降 低电机负荷。 2.3 电气系统 电气系统包括控制柜、接线箱、声光报警器以及电缆 卷筒。控制柜用于控制钢包车前进、后退、制动等动作。它 安装于现场便于操作的位置，通过电缆卷筒与接线箱连 接。接线箱用螺栓把合在车体上，连接车内电缆与卷筒上 的电缆。电缆卷筒选用 JPF140- 30- 4 卷筒，重锤式悬空卷 取，电流容量 140 A，配阻燃耐高温重型橡胶套电缆，相数 4 相。声光电子蜂鸣器安装于车体两端，车体运行时启动， 引起人们的警觉，达到安全行驶的目的。 2.4 缓冲器 缓冲器选用弹性胶体缓冲器。弹性胶体是一种高分子 合成材料，该材料在国外早已广泛应用于工业减震器的 设计制造。弹性胶体最显著的优点为：在一个单件装置 内，弹性胶体能够按照解决问题所需的比例来提供能量 消耗和能量储存，从而消除了振动，吸收了外部冲击能 量。这一特性与弹簧类似，但它具有高粘度，可压缩性，显 著的热稳定性和化学稳定性，不老化等一系列优点。 缓冲器的选型计算： 钢水包车单支缓冲器的冲击能量： E= 12 × 1 2 （MV2）=12.12KJ 式中，M为钢包车满载时的重量，M=194T；V 为运行 速度，V=0.5m/min；选取 Bhc5- A型缓冲器。 3 总结 该钢水包车具有设计合理、结构强度高、承载能力 大、运行平稳等特点。由于对车体、走行装置、电缆都实行 了有效的保护措施，大大提高了车辆的使用寿命。 参考文献 [1] 机械设计手册第一卷 .化学工业出版社，1994 年第三版 . [2] 材料力学 .北京大学出版社，2009 年第一版 . The of Design 160tons of Steel Car DONG Liang, CAO Hongxue （Jinan Iron and Steel Group Limited company of heavy industry machinery,Jinan 250000） Abstract : The ladle transfer car for 160- tons ladle made by our company is one of converter process equipments. It used to carry the molten steel trip in each bag work station. It belongs to rail vehicles, equipped with independent drive system. Key words: steel car, walking device, frame !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 24