劉常

摘要：文章介紹了工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點，并且結(jié)合有限元分析的基本思想以及物理力學(xué)等基本理論，對工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的性能要求進(jìn)行了細(xì)致分析，并且重點研究了工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中對強(qiáng)度、剛度等方面的要求。

前言

隨著社會和經(jīng)濟(jì)在不斷的進(jìn)步和發(fā)展，人口的增加以及農(nóng)村人口向城市流動以及公路的擴(kuò)建，就會要求住房不斷的增加以及不斷增加的公路橋梁等工程的建設(shè)，在建房和公路橋梁的建設(shè)的過程中就會需要使用大量的工程機(jī)械進(jìn)行建設(shè)和工作。而工程機(jī)械大都是由鋼結(jié)構(gòu)制造的，而目前大多數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸都是根據(jù)計算的結(jié)果，在計算的計算上乘以一個安全系數(shù)就得出所用鋼結(jié)構(gòu)的形狀形式和尺寸的大小。由于資源的短缺各個國家和企業(yè)都會考慮提高材料的利用率，這就需要設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，在達(dá)到使用功能的基礎(chǔ)上減少材料的使用，從而使整個設(shè)備的質(zhì)量降低，也節(jié)約了設(shè)備的能源消耗量。為了減少使用不同種類的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗的費用，我們可以使用仿真軟件ANSYS對不同的工程機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，最后得到工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。

1. 設(shè)計工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的特性要求

我國最近幾年的發(fā)展非常的額迅速，不管是住房還是道路橋梁的建設(shè)都在快速的發(fā)展中，這就需要使用機(jī)械設(shè)備來進(jìn)行施工，在施工中的設(shè)備全部稱為工程機(jī)械。我們都知道工程機(jī)械主要是由鋼結(jié)構(gòu)、液壓和電氣控制部分和動力控制部分構(gòu)成。我們使用工程機(jī)械中最常見的架橋機(jī)最為對象進(jìn)行研究，架橋機(jī)中最重要的機(jī)構(gòu)就是鋼結(jié)構(gòu)，并以天車作為整個設(shè)備的傳動部分，也是利用液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)聯(lián)合使用的，架橋機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)類似于人類的骨骼，是架橋機(jī)完成施工的最重要的結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)是否能夠滿足使用要求和安全要求是影響整個作業(yè)安全性和人員安全性的重要因素，所以我們要對整個架橋機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力性能分析。在架橋機(jī)工作時先將混凝土梁運到制定的地方，然后通過架橋機(jī)的液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)來控制架橋機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)部分將混凝土梁抬放到相應(yīng)的位置，在這個工作工程中鋼結(jié)構(gòu)的安全性是非常重要的，如果鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不合格不僅會造成財產(chǎn)的重大損失還會造成工作人員的重大傷亡。但是一味的最求鋼結(jié)構(gòu)的安全性就會造成剛接后的尺寸變得很大，從而增加了鋼結(jié)構(gòu)的重量和浪費了鋼材料，也會間接地增加驅(qū)動架橋機(jī)所需要的能源和動力資源，這對資源匱乏的今天是不可取的。為了在保證鋼結(jié)構(gòu)安全使用性能的基礎(chǔ)上，減少鋼機(jī)構(gòu)的重量和鋼材料的使用，我們就要對工程機(jī)械的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，這樣才能設(shè)計出既滿足力學(xué)性能要求，又能減少資源的使用和節(jié)約能量的目的。為了減少實驗的曾本，可以使用有限元對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并使用ANSYS軟件對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的有限元分析

對于一些結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)我們使用普通的方法不能準(zhǔn)確的計算出構(gòu)件中任意地方的應(yīng)力，這時我們就要使用有限元的方法對構(gòu)件各部分的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行計算，從而得到較為準(zhǔn)確的應(yīng)力和應(yīng)變以及安全系數(shù)，進(jìn)而判斷鋼結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。隨著計算機(jī)的發(fā)展和有限元的仿真軟件的快速發(fā)展，計算機(jī)仿真軟件基本上可以取代人工計算了，這樣只需確定鋼結(jié)構(gòu)的初始條件和邊界條件就能對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真。

還是以架橋機(jī)為研究對象進(jìn)行分析和仿真，首選我們可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸利用物理建模軟件進(jìn)行物理建模，例如常見的UG、SolidWorks進(jìn)行物理建模，然后在把建好的物理模型導(dǎo)入ANSYS軟件，在仿真軟件中對建好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在定義鋼結(jié)構(gòu)的材料，以及添加鋼結(jié)構(gòu)的受力和約束等邊界條件，將所有的邊界條件都定義完后，就可以定義我們所要觀察和顯示的各個應(yīng)力、應(yīng)變等模塊，將上述都完成后就可以對該模型進(jìn)行有限元計算了，當(dāng)計算完后，我們就可以查看應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，就可以得出鋼結(jié)構(gòu)中任意位置的應(yīng)力和應(yīng)變，也可以判斷這個鋼結(jié)構(gòu)是否符合和滿足力學(xué)性能要求。

3. 基于ANSYS 參數(shù)化設(shè)計語言

3.1在上一節(jié)中我們講的都太籠統(tǒng)了，對于鋼結(jié)構(gòu)怎樣建立物理模型也是一個比較復(fù)雜的問題，在這個過程中會涉及到很多的參數(shù)設(shè)置。在機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要盡量設(shè)計一種滿足性能又使用較少的鋼材的結(jié)構(gòu)，因為里面的桿件和梁的數(shù)量比較多，各個構(gòu)件的尺寸的設(shè)計也是多種多樣的，這也就使物理模型的參數(shù)設(shè)定變的非常的多樣化。然后根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)里面構(gòu)件的各種參數(shù)建立各種物理模型。

3.2在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的時候，對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元類型的選擇也是非常重要的。在ANSYS仿真軟件中存在非常多的單元類型，并且在最近幾年的發(fā)展過程中單元的種類也在不斷的增加和完善。我們再利用ANSYS仿真軟件進(jìn)行仿真時要盡可能的選用簡單的單元類型來達(dá)到我們的目的，這樣可以減少很多的計算量。我們在對工程機(jī)械的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要在保證使用功能和安全性能的基礎(chǔ)上，盡量的對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，這樣會降低鋼結(jié)構(gòu)的重量，節(jié)省鋼材的消耗，降低制造工程機(jī)械的成本，同時也會減少能源的消耗。所以，可以利用ANSYS仿真軟件的一些語言對鋼結(jié)構(gòu)的最佳截面形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并且還能滿足工程機(jī)械的正常工作，能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。也可以說，優(yōu)化目標(biāo)就是鋼框架結(jié)構(gòu)桿件截面的優(yōu)化。在實現(xiàn)截面優(yōu)化后即可達(dá)到結(jié)構(gòu)材料最省、造價最低和方便加工的優(yōu)化目標(biāo)。

4. 結(jié)論

住房不斷的增加以及不斷增加的公路橋梁等工程的建設(shè)，在建房和公路橋梁的建設(shè)的過程中就會需要使用大量的工程機(jī)械進(jìn)行建設(shè)和工作。目前，我國的資源處于比較匱乏的時期，所以我們要優(yōu)化工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)，盡量的較少工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的鋼材使用量，這樣才能減少資源的浪費。我們使用ANSYS仿真軟件對各種設(shè)計方式的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和仿真，得出了最優(yōu)化的鋼結(jié)構(gòu)，這樣就較少了鋼結(jié)構(gòu)的重量，較少了工程機(jī)械的成本，也達(dá)到了資源和能源的節(jié)約。

5. 參考文獻(xiàn)：

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