论文摘要
结构优化设计是近二十余年来发展起来的一门新技术,它的发展对传统的结构设计产生了重大的影响,使人们从被动的分析、校核时期进入了主动的设计阶段。与传统的设计方法相比,优化设计提高了设计质量、加快设计进度和降低设计成本,据资料显示可使工程造价降低5%～25%,经济效益十分明显。结构优化设计将是今后结构设计的主流趋势。有限元的发展和电子计算机技术的飞速提高,使优化设计日益得到广泛的应用,特别是在机械结构设计方面,近年来应用更加广泛。冶金起重机是现代冶金工业不可缺少的重要设备,吊钩是其上的重要承力构件,人们对吊钩的设计仍沿袭传统的静强度设计方法,设计出的吊钩往往会出现不安全或过分安全的问题。吊钩强度不足易导致其严重变形或断裂,发生重大的安全事故,造成巨大的经济损失。而安全系数过大,又造成制作材料的浪费和吊钩的粗笨。本文针对攀钢提钒炼钢厂使用的铁水罐倾翻吊钩,对其结构和使用情况作了分析,利用传统的“曲梁理论”和应用广泛的“极限承载能力”算法,计算结果表明该吊钩存在安全系数过大,吊钩自重大（重约2t,而同样作用的锻钩只有330kg）的情况,导致吊钩在使用时挂钩不灵活。利用大型有限元分析软件ANSYS完善的前后处理功能,根据该倾翻吊钩是由5片16Mn钢板铆叠而成的情况,分别对单片、单片加铆钉、5片叠加忽略铆钉三种情况,利用其自底向上的建模方式建模,体单元分网,对吊钩铆钉和钩孔,耳孔等危险部位进行单元细划,其余部位粗划,以减少不必要的计算量。在LS-DYDA高度非线性瞬态动力分析模块中,采用其刚体与弹性体单面自动接触的方式,对吊钩进行非线性受力分析。分别输出了三种情况下的应力和应变情况,这样不仅能精确知道该吊钩的应力和应变情况,同时也验证了“曲梁理论”对吊钩危险截面计算的正确性,将输出结果与传统计算值相比较,补充了传统静强度理论对吊钩受力分析的不足。利用ANSYS自带的/OPT优化模块,对吊钩进行自动优化设计计算。根据吊钩的使用要求,对吊钩的结构作优化设计,以减轻吊钩自重为目标,转化为求吊钩的体积最小为优化目标,考虑在吊钩中部应力很小的区域开一圆孔,将吊钩的厚度和圆孔直径作为优化变量,利用ANSYS提供的零阶优化方法,对吊钩进行优化设计计算。在吊钩钩孔处施加倾翻铁水罐时承受的最大工况载荷,耳孔施加位移约束,输出计算结果。查看设计的序列结果,并输出两变量相应的变化规律曲线图。将优化后的吊钩模型与原始模型作对比分析,并对优化后的吊钩作出结构的安全性评价,提出吊钩结构的改进意见。