摘要：本课题充分利用Ansys有限元分析的计算优势和VB编程的人性化设计，以立板吊耳为研究对象，旨在探索了一种优化设计结构和提高设计效率的方法。
 

 一 课题背景：

        吊耳广泛应用于工程机械、车间现场和露天施工场地。但是据相关数据显示，关于吊耳的设计缺乏标准的设计参考，本课题尝试利用Ansys和VB探索研究一种吊耳的优化设计方法，为生产制造提供一定的参考。

二 思路方法：

       根据理论及经验公式，提出计算模型，编译vb程序，最后利用Workbench中Design Exploration模块对初步设计进行优化，找到最优设计尺寸，具体思路如图1所示。

三 使用工况：

       立板吊耳使用条件为垂直轴载荷2t，安全系数为2.5，选用材料为Q235，材料的基本许用应力[σ]=235/1.34=175Mp，[τ]= [σ]/1.732 =101Mp。受力简图2如图所示。

四方案步骤：

1       编写VB程序

根据生产经验及理论公式，选取相关参数，编写VB程序，方便后续设计校核使用。其工作界面如图3所示。初步设计吊耳的尺寸为r=60mm，h=40mm，δ=15mm，θ=70°，其数值计算结果如图3所示，最大应力为134Mp<[σ]=175Mp，

剪切应力

=83.3Mp<[τ]=101Mp
满足强度条件。

2、Ansys有限元分析

        经过有限元软件Ansys分析相同尺寸吊耳的受力情况，其结果如图4所示，最大应力值为136.87Mp，与数值计算结果几乎相同，说明有限元模型设置合理，符合实际要求。同时也验正了初步设计尺寸满足强度要求。

3、尺寸结构优化研究。

       如何使吊耳在满足强度条件的前提下，吊耳质量最轻。根据经验可得，内径越小，外径越大，角度越小，厚度越大，吊耳越安全，但是吊耳的内径越大，外径越小，厚度越薄，质量越轻。如何有效地解决这对矛盾呢？

       下面以初步设计尺寸为出发点，利用Workbench中Design Exploration模块（优化设计模块），探索研究一种最优尺寸结构，使吊耳在满足强度条件的前提下，吊耳质量最轻，节省原材料，降低生产成本。                    

       在Design Exploration模块中，几何模型的尺寸设计参数为内径r，宽度h，角度θ和板厚δ。如图5所示。

       有限元分析计算流程如图6所示，首先设计计算模型，划分网格，计算结果验证模型的准确性，其次设计优化参数，设定优化实验方案，本课题工做26组实验，计算相应曲面分析不同参数对吊耳受力的影响，最后设定多目标优化方案，选出最优参数组合，达到优化吊耳结构的目的。

       计算结果如图7所示，由结果可以看出内径越小，外径越大，角度越小，厚度越大，吊耳应力越小，这符合理论计算及实际情况。但应力最小时，吊耳尺寸为r=65mm，h=51mm，δ=16mm，θ=65°，质量为3.4Kg，初步设计质量为4.15Kg，节约材料18%。此时应力为97.56Mp，比需用应力小的多，因此可以适当提高材料的受力大小，进一步优化吊耳结构。

       二次优化设计参数方法为，在Design Exploration模块中，保持几何模型的尺寸参数不变，新引进吊耳质量参数m，同时将质量和吊耳应力设为目标参数，再重复上次优化操作步骤，最终其计算结果如图8所示。

由图9可以看出，在最大应力为120.87Mp时，材料质量最轻为2.58Kg，节约材料38%。当材料质量为3.2kg，应力只有100.65Mp，减小了25.4%。

五 结论：

       利用Ansys有限元分析及VB编程软件，成功地探索出一种优化设计结构和提高设计效率的方法。该方法具有以下优点：

（1）减少重复、繁琐的计算工作，将更多的精力投入到创新性设计。

（2） 提高工作效率，缩短新产品的开发周期。

（3）完善起重机的计算体系，为新产品开发提供理论参考和实验数据。

六 应用展望

       本方法可以用于常规结构的优化设计中，尤其设计前期阶段的方案选择时,可快速实现方案的对比分析。当然本方法需要投入大量的精力去收集充分的试验数据，建立符合工程应用的数学模型。

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