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1 引言
长期以来，非标桥式起重机结构设计大都是参考老一辈设计人员所提供的标准图纸，适当修改一些参数的尺寸，而老一辈设计人员由于大多采用传统的设计方法，所设计的起重机均具有较大的安全系数，致使材料浪费，并相应增加基建费用。近年来随着电子计算机技术的广泛应用使机械设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。有限单元法相对于传统的材料力学受力分析计算方法，使计算结果更精确，并且有限元分析能解决一些采用传统材料力学受力分析计算不得不做出很大的简化和假设或根本就计算不出来的一些繁杂问题，同时实现优化设计。株洲天桥起重机股份有限公司根据生产实际，所研究的200t偏轨梁桥式起重机是该公司开发的一种新型产品，由于桥架结构复杂，应用工况较多，为了达到既安全又经济的目的，我们采用有限元分析软件ANSYS 对主梁进行有限元分析，井进行了优化设汁。
2 用ANSYS软件对200t桥式起重机主梁有限元分析
该起重机额定起重量Q=200 000kg，工作级别A7，跨度L=27000mm。初步确定主梁采用Q345材料，主梁主要由上、下盖板，左右腹板及T型钢等焊接而成，内附加筋板。
2.1 在前置处理器中建立有限元分析模型、加载并求解
本文主要是对主梁和端梁头部(主梁和端梁头部联结为焊接)进行分析，对箱形梁分析选用板壳单元。建模时采用自底向上和自顶向下相结合的方式，熟练运用工作平面和三维坐标，利用模型的对称性，模型建成井划分网格见图1。对主梁2端施加方向的位移约束，它们的位移均为零。加载时要分别考虑当小车位于跨中及2端的情况。同时也要考虑自重载荷及大、小车起制动时产生的惯性载荷，最后再求解。
图1 主梁及端梁头部整体网格划分图
2.2 在通用后处理器中进行结果分析
进入后处理器，后处理通过图形或列表方式显示分析结果。通用后处理用于观察在指定的载荷作用下的整个模型的结果，起重小车位于主梁中央时应力云图见图2，起重小车位于主梁2端时应力云图见图3，主梁静刚度变形云图见图4。
由图3、4可知，主梁的最大变形为17.37mm，最大等效应力为162.6MPa，该200t偏轨梁无论是刚度还是强度均有较大的余量。完全可进行优化设计，减轻自重，节约成本，提高效益。
图2 起重小车位于主梁中央时应力云图
图3 起重小车位于主梁2端时应力云图
图4 主梁静刚度变形云图
3 用ANSYS软件对偏轨主梁优化设计
3.1 参数化建模
对主要参数定义并附初始值:左右腹板间距A=1.8m；上下盖板间距B=2.8m；上下盖板厚C=0.02m；副腹板厚D=0.012m；主腹板厚E=0.016m；T型钢下立板(与主腹板焊接部分)厚F=0.018m；T 型钢上横板厚G =0. 028m。
因为模型的所有尺寸都已经在建模开始前设计为ANSYS的参数，因此在建模中涉及到的模型尺寸必须用参数而不能用数字。在设定的壳单元实常数(上下盖板厚度、左右腹板厚度、T型钢上下板厚)时用C、D 、E 、F 、G表示，在建模时(先建主梁截面)用到左右腹板间距和上下盖板间距时则用A、B表示。对模型划分网格时必须考虑到模型优化时能自动划分网格并尽量让单元号保持不变，因此在size controls中对主粱截面任一线段以及跨度方向分为不同的段数，而不能定为具体的长度数值。这样当参数数值改变时，网格尺寸数值也跟着按比例变化，而不会改变划分的单元数量，便于以后的加载和分析。
表1 各设计变量设定表
3.2 求解、提取并指定状态变量和目标函数优化
优化的目标函数就是使主梁在满足各项条件的情况下，其重量最轻。主梁的重量仅与其体积有关。各设计变量设定及各状态变量值设定见表1、表2。选择一阶方法(First Method)优化，指定优化步数为10步。
优化数据结果见表3。
表2 各状态变量值设定表
表3 前6步优化结果
由优化结果可知最优解为第6步。优化后体积为2.78834947，最大等效应力143.39MPa，主梁最大变形22.55mm。结合本厂实际，对以上第6步优化结果圆整后得如下最终优化结果:A=1.5m；B=2.3m；C=0.016m；D=0.01m；E=0.014m；F=0.018m；G=0.026m；V=2.79；
由优化后的结果可知:经过优化处理后，主梁的重量减轻19.4%，为本厂获得了较大的经济效益。
4 结论
本文研究对象为200t偏轨梁桥式起重机，由于桥架结构复杂，起重机应用工况较多，为了达到即安全又经济的目的，采用有限元分析软件ANSYS 对主梁进行有限元分析，并在原来的基础上进行了优化设计，本项目为该公司2004年度重点项目，该项目完成后为厂家获得了较大的经济效益。由于篇幅限制，本文主要介绍了分析的过程及方法，没有列出ANSYS界面操作或命令流。所运用的研究方法对起重机行业探索和运用现代设计方法会有一定的启发和推动。
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