基于ANSYS Workbench的吊钩优化设计

【摘要】将有限元分析方法和优化设计理论相结合，以ANSYS软件为工具，构建了吊钩的优化设计。将形状优化和参数优化相兼容，在保证安全性的前提下，优化了吊钩的结构形状和结构参数，使得吊钩质量减少14.41%，为该类吊钩的设计探索提供了新的方法。

【关键词】ANSYS Workbench；吊钩；有限元；优化设计

引言

近年来，由于国内大型电厂、核电站、大型石化等设施的建设，起重机不断朝大吨位、超大吨位方向发展。吊钩是起重机上应用最广泛的一种取物装置，也是起重机的主要承载部件，吊钩的强度及其设计的合理性对起重机工作的安全性和经济性至关重要。因此，应用现代有限元分析方法，对吊钩的强度进行分析，发现吊钩的最大变形位置，揭示其应力分布规律和危险截面，为吊钩强度的研究设计提供理论依据，具有重要的工程意义。

本文对承载5t的板状吊钩进行优化，减轻了吊钩重量，为设计出优秀承载大吨位的吊钩提供依据。

1.建立吊钩三维模型

1.1确定建模数据

吊钩简化后的几何模型如图1.1（a）所示，设置吊钩宽度为W1，高度为H1，钩孔半径为R1，钩柄宽度为W2，钩柄高度为H2，吊钩销孔半径为R2，吊钩厚度为T1.吊钩各尺寸数据如表1.1所示。

1.2建立三维模型

本文采用ANSYS Workbench的DM模块直接建立吊钩的三维模型，创建后的模型如图1.1（b）所示。

1.3添加尺寸参数

为对吊钩进行参数优化，定义吊钩的宽度参数为width，高度参数为height，厚度参数为thickness。

2.建立有限元模型并进行静态应力分析

建立有限元模型即给建好的吊钩三维模型添加材料属性并进行网格划分。静态应力分析包括施加载荷和约束边界条件并对应力和总变形进行求解。

2.1建立吊钩有限元模型

首先定义吊钩的材料属性，吊钩采用结构钢制造，密度为7850kg/m3，弹性模量为2×105MPa，泊松比0.3。

其次对吊钩进行网格划分，吊钩采用四面体网格类型，单元尺寸为5mm，可能应力集中区域单元尺寸为2mm。网格节点数788143，单元数917400。

2.2静态应力分析

在静态应力分析前根据吊钩的使用条件，对吊钩销孔面施加固定约束，对吊钩钩子中面施加Y方向的轴承载荷-50000N。然后对吊钩的总变形和应力进行求解，总变形求解结果为最大变形0.571mm，最大应力求解结果为205.25MPa，最小安全因子为1.218。

3.拓扑优化设计

设置重量减小20%为优化条件，对吊钩进行形状拓扑优化，优化结果见图3.1（a）。图中颜色较深部分表示可切除区域，颜色较浅部分表示不重要的部分，灰色表示保留部分，可以根据需要进行切除或保留。根据图3.1（a）的结果，对吊钩模型的尺寸进行修改，修改后的模型见图3.1（b）。施加相同的约束和载荷条件，计算最大变形为0.548mm，最大应力为204.97MPa，最小安全因子为1.219，变形和应力满足设计要求。

4.多目标优化求解

应用Workbench进行优化分析时通常先定义状态参数和目标参数，查看响应分析、优化分析、求解并验证结果。

定义吊钩的状态参数为最大变形、最大应力，最小安全系数和质量。然后根据吊钩的结构限制，给定宽度尺寸变化条件为185mm≤width≤215mm，180mm≤height≤220mm，54mm≤thickness≤66mm。求解目标为质量最小，最小安全系数的目标值为1.2。

对吊钩进行优化求解，求解结果如图4.1所示。由图4.1可以明显看出，B组解为最优解，满足质量最小，且最小安全系数大于1.2。

图4.1优化求解结果

用优化后的尺寸参数驱动模型，并对模型进行静力学分析，最大变形为0.528mm，最大应力为203.12MPa，质量为12.631kg，最小安全因子为1.44，满足设计要求。

5.结论

本文对吊钩进行拓扑优化、多目标驱动优化，使吊钩质量由14.758kg减少到12.631kg，减轻了14.41%.优化前后参数对比见表5.1.

由表5.1可以看出，参数优化后的最大变形、最大应力、质量明显减小，而安全因子增大，说明参数优化效果良好。

参考文献

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