基于有限元法的高效垂直输运装置结构优化设计,   出租登高车,  登高车租赁, 登高车多少钱租   结构尺寸放大倍数的优化,  由于初始模型的结构尺寸，是以标准传动链（CHE80）为基准，简单放大50倍作为研究对象。一方面，该放大倍数同时影响着传动链的所有结构设计参数，可以认为是对装置自重和性能影响最大的一个参数；另一方面，这个放大倍数的选取亦具有相当的随意性，其取值毫无依据不是很合理。综上，本章选择放大倍数（𝐾𝑛）作为设计变量，要求满足该装置结构强度要求和刚度要求的基础上，最大限度地减轻装置自重。主要过程如下：创建优化循环分析文件：（1）参数化建模；（2）模型解算；（3）后处理变量提取。

   2.执行优化设计分析过程：（1）指定分析文件；（2）声明优化变量；（3）选择优化工具及方法；（4）确定优化循环收敛条件；（5）进行优化循环；（6）查看结果。要对传动链结构尺寸的放大倍数进行优化，首先需要在ANSYS环境中建立一个以𝐾𝑛为参数的参数化模型，而𝐾𝑛作为传动链的放大倍数，影响整个传动链所有设计参数的大小。因此，要建立传动链结构尺寸放大倍数的优化模型，就需要在前处理中要对高效垂直输运装置所有的结构参数进行定义，建立一个以参数𝐾𝑛为核心的分析模型。尽管ANSYS作为一款功能强大且广泛使用的CAE软件，但是较专业的三维建模软件，其实体建模能力比较薄弱。而作为一种复杂的装配体，传动链可分为多个组件，各个组件都有各自的特征，组件间又存在多种位置及装配关系。虽然ANSYS软件Modeling模块中自带有一套完整的实体建模控件，理论上能够完成任何实体模型的建立。但是不同于专业的三维建模软件的参数化建模，要在ANSYS中完成整个优化模型的建立，往往需要从点、线、面、体，对每一个参数进行定义，要定义这样的一个模型虽然可行，但是难度很大。另一方面，基于ANSYS的优化设计，其每一循环等价于一个完整的分析循环。对整个传动链进行优化分析，每一次的分析循环都要花费大量的计算时间，在一定程度上，影响了优化的效率。基于上述的考虑，本文不采用建立整个传动链实体参数化模型作为优化分析模型的方法，而是首先对优化模型进行简化，即选择传动链的一个部件，作为优化模型。这里选择传动链内侧外链板作为优化模型，将对于整个传动链结构尺寸39放大倍数的优化问题，转换成对于传动链内侧外链板结构尺寸放大倍数的优化问题。该简化基于下列两点假设：

  

   （1）该简化模型能够比较好的反映设计变量的变化，对整个传动链应力水平和变形情况的影响及变化趋势；（2）同样的设计变量，在满足该简化模型的约束条件的同时，也能满足整个传动链的约束条件，即应力水平满足强度要求，应变水平满足刚度要求。针对上述两种假设，本文做了以下研究：令𝐾𝑛=50𝑛，分别取𝑛=0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，建立相应的模型进行静力分析,  当𝑛的取值在0.4到1.2之间时，外链板、内链节、销轴各应力水平均呈递减关系；当𝑛取值一定时，传动链各主高效垂直输运装置优化设计及力学性能分析40要组成部分最大应力的之间的关系为：外链板＞内链节＞销轴，整个链节最大应力出现在内侧外链板上，这里可以认为，在只改变放大倍数时，只要内侧外链板的最大应力值小于许用应力值，就能保证整个链节的应力水平在允许的范围内；当𝑛取0.4时，整个链节最大应力值为324MPa，已经很接近材料的屈服强度，可以判断，在满足强度要求的基础上，𝑛的最小取值大概在0.4左右。综合上述讨论，可以认为：在应力水平方面，使用内侧外链板作为优化设计模型能够比较好的反映设计变量的变化，对整个传动链的影响及变化趋势；当优化模型能够满足强度方面的约束条件时，整个传动链的应力水平也能满足材料强度要求。 当𝑛的取值在0.4到1.2之间时，整体及各部分Y方向的变形量占自身尺寸的比例总体上均呈递减关系；当𝑛取值一定时，整体的伸长率最大，数值上为外链板伸的1.68到1.35倍之间，如果采用内侧外链板作为简化的优化模型，可以采用控制1.7倍的外链板最大变形量小于允许的变形量来保证整体的应变水平满足刚度41要求；此外，从伸长率的数值上看，最大伸长率为0.178%，可以认为变形量很小，刚度方面的约束性不大。综合上述讨论，可以认为：在应变水平方面，使用内侧外链板作为优化设计模型能够比较好的反映设计变量的变化，对整个传动链的影响及变化趋势；虽然最大伸长率不是出现在外链板上，但是可以通过加严处理，使局部模型满足约束条件时，整个传动链的应变水平也能满足整体刚度要求。基于以上研究，可以认为对于放大倍数𝑛的优化问题，可以使用内侧外链板作为简化模型。该优化模型在能够比较好的反映整体的变化趋势，同时避免在ANSYS环境中建立整个装置的参数化模型，最大程度上简化优化过程，提高优化效率。 研究中还发现：外链板可以认为是一个厚度均匀的薄板，根据外链板的结构特点与受力情况结合ANSYS中单元性质的设定，可以认为外链板也可以用二维板单元来模拟并建立优化模型。由外链板三维实体模型和二维板模型分析结果比较间。 不难发现内侧外链板实体模型中心截面的应力分布与内侧外链板二维板模型的模拟结果基本一致；，Y轴方向变形量情况，三维实体模型与二维板模型基本一致。 由于三维实体模型中，外链板和销轴的接触配合位置上存在一个应力集中的现象，因此三维实体模型的模拟结果大于二维板模型，其比值在1.31到1.81之间。图4.4（b）反映了内侧外链板三维实体模型和二维板模型在Y轴方向最大位移的比较，同样是由于三维实体模型的应力集中现象，造成三维实体模型的模拟结果大于二维板模型的情况，其比值在1.32到1.64之间。另外，比较板单元与实体单元，不难发现：（1）每一次的优化循环都需要消耗大量的解算时间，合理降低有限元模型单元数量减少解算规模是相当有必要的；采用板单元相对于实体单元无论是单元数还是节点数都有明显减少，对于减少计算量缩短了计算时间是非常有利的；（2）使用二维板单元，在参数化模型建立、载荷加载、边界条件设定等方面均较三维实体单元更加简单，在修改模型、确定优化参数等方面更为方便快捷；（3）采用板单元，优化结果云图观察比较直观和清晰。基于上述考虑，为进一步提高优化效率，选择PLANE182单元，将外链板三维实体模型进一步转换成二维板模型作为优化设计模型。同时，考虑到三维实体模型上的应力集中现象结合，取1.9作为强度校核的安全系数，因此设置257MPa（490÷1.9）作为最大应力的约束条件；同样由取431.7作为刚度校核的安全系数，同时考虑到图4-2b中反映的情况，设置n∗0.439mm（0.635∗0.2%/1.7/1.7）作为最大位移的约束条件。高效垂直输运装置的优化设计数学模型可转化为：find0.2≤𝑛≤1.2min𝑆𝑉𝑂𝐿𝑈𝑀𝐸Subjectto0≤𝑆𝑀𝐴𝑋≤257MPa0≤𝐷𝑀𝐴𝑋≤0.439∗𝑛mm.

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   优化设计过程步骤一：生成分析文件使用计算机软件完成设计优化的核心在于生成分析文件，而该分析文件须涵盖分析过程的全部步骤，包括：参数化模型、划分单元、加载载荷、优化变量的提取以及优化方法的指定。作为整个分析文件的前提，模型的参数化要为后来优化变量的定义、提取做准备，因而优化变量为不能是具体的数值而要用变量来替代。本文要优化的设计变量为传动链结构尺寸放大倍数𝑛（𝐾𝑛=50∗𝑛），模型的各个参数均有受到变量𝑛的影响，包括建模各个尺寸数值、网格划分尺寸控制、加载载荷大小等。1）参数化建模选择, 单元类型为PLANE182，预设设计变量𝑛=1，由于外链板上下对称，这里建立外链板二分之一模型的参数化模型。依据表4.2中的参数，在ANSYS环境中由点到线、由线到面，逐步建立外链板参数化二维板模型；为保证网格划分精度不受设计变量𝑛的影响，将𝑛代入网格划分尺寸参数，控制全局单元尺寸为0.04∗𝑛；划分四边形网格，划分得657个单元，672个节点；选取接触单元对CONTA172和TARGE169，在销轴与外链板接触部分创建接触对。（2）载荷及边界条件确定由于传动链结构尺寸对于整个装置的自重影响很大，而装置自重是占据了总载荷的很大部分。随着放大倍数𝑛的取值变化，内侧外链板所承受的最大张力也将发生很大变化。为了能够更真实反映载荷随𝑛值的变化情况，这里推导了关于参数𝑛的内侧外链板载荷计算表达式。关于参数𝑛的单个链节质量为：𝑚=6.775e3∙𝑛3关于参数𝑛的单个链节节距为：𝑑=1.27∙𝑛代入计算得关于参数𝑛的内侧外链板载荷计算表达式为：𝐹𝑊𝑁=5.088e5∙𝑛3+2.75e6∙𝑛2+5.968e5,  （3）解算器解算45步骤二：声明优化变量。高效垂直输运装置的设计优化中，以总质量作为目标函数；这里使用放大倍数𝑛作为设计变量，不难发现𝑛值越大，整个装置自重越大，单节链节的质量也越大；由于所用材料的密度一定，质量与体积成正比，要获得最小装置总重也就是要获得最小装置总体积，可以提取单元总体积作为目标函数。其次，提取最大应力值作为强度设计的状态变量，提取最大变量量作为刚度设计的状态变量。步骤三：选择优化工具或优化方法由于本文采用的优化模型本身就是一个简化模型，主要目的就是为了获得一个合理的结构尺寸放大倍数值，同时在约束条件方面也设置了相当的安全系数，对于链节体积无需要求非常精确的设计优化。因此，考虑到优化效率本文以零阶方法作为传动链结构尺寸放大倍数优化的计算方法。SET10为最优结果，最优数据为：设计变量𝑛=0.38709较初始模型减小了61.291%；目标函数𝑇𝑉𝑂𝐿=0.0067909m3，减少了94.20%；高效垂直输运装置优化设计及力学性能分析46刚度约束𝐷𝑀𝐴𝑋=0.20405mm，伸长率为0.083%满足刚度要求；强度约束𝑆𝑀𝐴𝑋=254.75MPa，小于材料的许用应力。最大变形量随优化步整体呈下降趋势而伸长率则表现为上升，主要原因是随着优化的深入自身尺寸下降造成伸长率的增加，另外不难发现刚度约束对该优化过程的约束性不是很大；最大应力呈上升趋势，最终收敛于257MPa，可以认为对于该优化过程强度约束是主要约束条件。

     优化后模型结构设计基于传动链结构尺寸放大倍数设计优化，同时为了方便计算，取𝑛=0.39代入载荷计算,  单个链节质量m402Kg, 自重引起的张力FS0.8981578e6N, 载荷引起的张力Fz0.501e6N, 外侧外链板所受的张力FWW0.3538889e6N, 内侧外链板所受的张力FWN1.045269e6N, 外侧内链板所受的张力FNW0.3238289e6N, 内侧内链板所受的张力FNN1.075329e6N,  从变形分析中可知，传动链内外侧链板的伸长量是不等的，主要原因是外部负载并不是直接搭载在传动链的几何中轴线上，而是搭载在传动链的一侧上。这使得传动链内外侧链板上所受的张力是不一致的，内侧的链板所受的张力大，外侧的链板所受的张力小。这种内外侧所受张力不一致的趋势在第三章的模拟中表现或许并不明显，主要原因是由于传动链本身的自重太大，使内外侧链板上的张力不一致的趋势表现的并不明显；而在优化设计后，传动链本身的自重大大减轻，使这种趋势表现的尤为突出。

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