摘要：本課題充分利用Ansys有限元分析的計算優勢和VB編程的人性化設計，以立板吊耳為研究對象，旨在探索了一種優化設計結構和提高設計效率的方法。

 一 課題背景：

吊耳廣泛應用于工程機械、車間現場和露天施工場地。但是據相關數據顯示，關于吊耳的設計缺乏標準的設計參考，本課題嘗試利用Ansys和VB探索研究一種吊耳的優化設計方法，為生產制造提供一定的參考。

二 思路方法：

根據理論及經驗公式，提出計算模型，編譯vb程序，最后利用Workbench中Design Exploration模塊對初步設計進行優化，找到最優設計尺寸，具體思路如圖1所示。

圖1  優化設計路線圖

二 使用工況：

立板吊耳使用條件為垂直軸載荷2t，安全系數為2.5，選用材料為Q235，材料的基本許用應力[σ]=235/1.34=175Mp，[τ]= [σ]/1.732 =101Mp。受力簡圖2如圖所示。

 

圖2  受力簡圖

三 方案步驟：

1       編寫VB程序

根據生產經驗及理論公式，選取相關參數，編寫VB程序，方便后續設計校核使用。其工作界面如圖3所示。初步設計吊耳的尺寸為r=60mm，h=40mm，δ=15mm，θ=70°，其數值計算結果如圖3所示，最大應力為134Mp<[σ]=175Mp，

剪切應力=83.3Mp<[τ]=101Mp
滿足強度條件。

 

                         圖4  有限元計算結果

2、Ansys有限元分析

經過有限元軟件Ansys分析相同尺寸吊耳的受力情況，其結果如圖4所示，最大應力值為136.87Mp，與數值計算結果幾乎相同，說明有限元模型設置合理，符合實際要求。同時也驗正了初步設計尺寸滿足強度要求。

3、尺寸結構優化研究。

如何使吊耳在滿足強度條件的前提下，吊耳質量最輕。根據經驗可得，內徑越小，外徑越大，角度越小，厚度越大，吊耳越安全，但是吊耳的內徑越大，外徑越小，厚度越薄，質量越輕。如何有效地解決這對矛盾呢？

下面以初步設計尺寸為出發點，利用Workbench中Design Exploration模塊（優化設計模塊），探索研究一種最優尺寸結構，使吊耳在滿足強度條件的前提下，吊耳質量最輕，節省原材料，降低生產成本。                    

在Design Exploration模塊中，幾何模型的尺寸設計參數為內徑r，寬度h，角度θ和板厚δ。如圖5所示。

圖5  計算模型  

有限元分析計算流程如圖6所示，首先設計計算模型，劃分網格，計算結果驗證模型的準確性，其次設計優化參數，設定優化實驗方案，本課題工做26組實驗，計算相應曲面分析不同參數對吊耳受力的影響，最后設定多目標優化方案，選出最優參數組合，達到優化吊耳結構的目的。

圖6  優化設計流程圖

計算結果如圖7所示，由結果可以看出內徑越小，外徑越大，角度越小，厚度越大，吊耳應力越小，這符合理論計算及實際情況。但應力最小時，吊耳尺寸為r=65mm，h=51mm，δ=16mm，θ=65°，質量為3.4Kg，初步設計質量為4.15Kg，節約材料18%。此時應力為97.56Mp，比需用應力小的多，因此可以適當提高材料的受力大小，進一步優化吊耳結構。

圖7  優化設計結果

二次優化設計參數方法為，在Design Exploration模塊中，保持幾何模型的尺寸參數不變，新引進吊耳質量參數m，同時將質量和吊耳應力設為目標參數，再重復上次優化操作步驟，最終其計算結果如圖8所示。

圖8  優化實驗方案結果

由圖9可以看出，在最大應力為120.87Mp時，材料質量最輕為2.58Kg，節約材料38%。當材料質量為3.2kg，應力只有100.65Mp，減小了25.4%。

圖9  最終優化方案

四 結論：

利用Ansys有限元分析及VB編程軟件，成功地探索出一種優化設計結構和提高設計效率的方法。該方法具有以下優點：

1 減少重復、繁瑣的計算工作，將更多的精力投入到創新性設計。

2 提高工作效率，縮短新產品的開發周期。

3 完善起重機的計算體系，為新產品開發提供理論參考和實驗數據。

五 應用展望

    本方法可以用于常規結構的優化設計中，尤其設計前期階段的方案選擇時,可快速實現方案的對比分析。當然本方法需要投入大量的精力去收集充分的試驗數據，建立符合工程應用的數學模型。