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【摘 要】起重机作为现代化工业中普遍运用的设备，其可以在一定程度上提升生产效率，降低体力劳动，实现工业生产的自动化与机械化。现阶段，已经运用许多技术方法提升起重机的设计效率，可是以往的设计计算方式在精度与计算速度等多方面依然存在许多问题。而ANSYS拥有比较灵巧的动态交互能力，同时还可以模拟大量物理机制相关作用机理，从而实现设计方案的合理优化，有效运用在起重机设计方面。本文主要对ANSYS在起重机设计领域的应用进行了分析与探讨。
【关键词】ANSYS;起重机;设计
起重机主要指在一定范围之内提升与水品搬运重物，进行循环和间歇运动，普遍运用在港口与冶金以及建筑等相关领域，其可以有效提升生产效率，减小劳动强度，并且加强机械化与自动化生产水平。近些年，起重机设计和生产技术取得一定发展与进步，特别是现代化设计方式在起重机设计中的有效运用，明显提升起重机设计工作效率，同时也在一定程度上提升了起重机的性能。其中ANSYS为集成结构和电场以及磁场等于一身的有限元分析软件，利用ANSYS与CAD软件之间的图形接口，完成数据共享与交换，运用在结构力学和结构动力学以及热力学等有关方面的计算求解以及模拟，可以在很大程度上提升设计工作效率，实现设计的优化等。对此，分析与研究ANSYS在起重机设计中的运用有着重大意义。
一、设计方式分析
（一）极限状态方法
极限状态方法设计原则如下，结构在相关载荷系数与调整系数共同影响下，计算出的部件应力不可超过极限应力。尽管此计算方式相对精确与合理，可是因为结构中所有分项系数难以明确，因此该计算方式应用比较少。
（二）ANSYS实体模型方法
依据经验完成结构草图的设计过后，利用起重机设计过程中普遍运用的实体单元，比如管、壳与梁等，创建和现实状况基本符合的相关实体模型，然后进行加载验算。此种方法的优势就是概念明确，可以有效反应出结构应力分布状况，依据具体情形完成细节设计，并且可以便于获取结构件实际变形状况。可是也存在一定缺点，建模比较复杂，仅仅可以对结构一些参数进行有效调节，比如说地板厚和型钢尺寸等方面。若是模型定位尺寸或是布局发生变化，就要重新建模然后计算。由于ANSYS实体模型在重建时相对较为复杂，需要消耗大量的时间，而且容易在建模时发生各种各样的错误，对模型调节也需要一定时间，从而就导致设计工作效率低下。
（三）ANSYS综合方法
在分析传统方式与ANSYS实体模型方法的优缺点基础上，在实践设计时应该将两者优点进行有效融合，从而充分发挥出各自有点，在一定程度上提升设计工作效率。而传统设计方式也能够利用ANSYS线模型。利用软件计算获取所有断面轴力和弯矩以及建立分布图。能够在此前提下实现断面尺寸的有效评估。可是因为利用ANSYS方法，有效处理传统方式计算复杂问题，并且调整和重新计算也比较便捷，在计算过程中能够充分考虑垂直荷载与水平荷载造成的结构变形。另外，ANSYS软件具备参数化建模等性能，针对部分形式相对固定的模型，应用参数化建模，只需要调整几个参数就可以实现模型修改与重算，其设计工作效率比较高。可是此种方式在相对复杂模型中应用效果不是很好。
二、ANSYS在起重机设计中的运用
（一）ANSYS优化设计流程
在进行起重机设计时，运用ANSYS实现结构静力和结构动力学以及结构非线性等研究分析。应该对起重机自身结构进行总体分析和科学规划，主要包含起重机结构相关尺寸和结构以及受力数据等方面，并且运用ANSYS创建起重机相关结构模型，依据实际状况完成模型材料定义以及网络的划分，然后对边界条件进行定义，针对相关位置合理施加外部或是内部荷载，比如约束条件和集中荷载以及惯性荷载等。同时在定义边界条件和合理施加荷载过后，要运用ANSYS所提供的处理器完成模拟计算，从而获取有关基本数据以及派生数据，针对模拟计算数据来完成结构分析，并且进行优化，在确保结构强度与刚度以及稳定等相关需求基础上，实现设计方案的合理优化。
（二）明确起重机结构参数
门式起重机结构参数一般包含门架方式和跨度以及起升高度等许多方面。现阶段，门式起重机普遍应用的门架方式主要是板梁与桁架，存在许多支腿型式与主梁截面型式，各种结构与型式受力状况存在明显差异。首先是跨度，其一般指大车运行轨道中心线之间的水平距离，需要依据应用条件与工艺需求进行明确，一般门式起重机跨度处在10.5至38m区间。其次是悬臂长度，为了能够加大作业面积，在一定程度上减小主梁自重，要依据应用需求对一些起重机建立悬臂，而悬臂的长度主要通过自重与活动荷载下的最大弯矩与跨中弯矩进行确定，悬臂长度可取（0.25～0.35）跨度。再次是起升高度，指从地面或轨道顶面至取物装置最高起升位置的铅垂距离（吊钩取钩环中心，抓斗、其他容器和起重电磁铁取其最低点），如果取物装置能下落到地面或轨面以下，则总起升高度为轨面以上的起升高度与轨面以下的下放深度之和，起升高度的选择按作业要求而定，因为起升高度直接影响自重与荷载，进而对轮压的分布造成一定影响，所以必须在满足应用需求基础上尽量减小。最后是支腿选取，起重机支腿存在刚性与柔性差异，跨度相对比较小的起重机，如跨度小于35m时，在安装误差和运行偏斜以及温度变化等相对比较小状况下可选择采用两个刚性支腿的结构。当跨度大于35m时，为补偿温差所造成的结构变形可以制成一个刚性支腿和一个柔性支腿的结构，而且支腿的平面尺寸一定要依据受力特征与构造需求进行明确。
（三）ANSYS应用实例
在进行起重机结构设计时，选择合理结构参数能够防止刚度与强度富余，同时在满足技术性能指标基础上可以减小自重，充分应用ANSYS可以对结构参数进行优化。比如额定的起重量时250吨，而小车和司机室的总重量是120吨，相应起重高度为82.5米的起重机，在主梁截面尺寸实现优化过程中，经过计算之后，梁宽是3500cm，而梁高是8500cm等，有关参数都可以满足相应荷载需求，但是此参数并非最优参数，充分应用ANSYS实现优化，通过对主梁长度的变化次数与翼板厚度的变化次数实现参数化分析，然后设定设计变量和状态变量以及目标函数，在確保最大应力与挠度在规定范围内的基础上，得到的优化主梁翼板重量是263150kg，从而在一定程度上减小自重，提升性价比。
三、结束语
传统设计和计算方式存在一些问题，比如计算精度差和工作量大等，直接影响起重机设计安全性和可靠性以及经济型。对此，充分应用ANSYS实现模拟仿真计算与分析，许多工作能够利用计算机完成，在一定程度上简化设计工作的复杂性，而且获取的信息数据更为准确，还可以对设计方案进行优化。因此，ANSYS应用在起重机设计方面具备一定价值。
参考文献：
[1]范兴超.基于 ANSYS Workbench 对铸造起重机副主梁模态分析[J].山东工业技术，2013（08）：182-186.
[2]尹强，陈世教.基于 ANSYS 的塔式起重机结构模态分析[J].重庆建筑大学学报，2012，（12）：89-95.
[3]陈昆，陈定方，郭建生，卢全国. ANSYS在起重机结构设计中的应用探讨[J].装备制造技术，2013，（24）：12-16.
[4]邢丽静.基于有限元分析的双小车桥式起重机主梁优化设计与软件开发[J].浙江大学，2014，（02）：26-29.
[5]付滔滔.基于VC++和ANSYS接口的参数化桥式起重机桥架有限元分析系统[J].武汉科技大学，2010，（33）：19-21.
【关键词】ANSYS;起重机;设计
起重机主要指在一定范围之内提升与水品搬运重物，进行循环和间歇运动，普遍运用在港口与冶金以及建筑等相关领域，其可以有效提升生产效率，减小劳动强度，并且加强机械化与自动化生产水平。近些年，起重机设计和生产技术取得一定发展与进步，特别是现代化设计方式在起重机设计中的有效运用，明显提升起重机设计工作效率，同时也在一定程度上提升了起重机的性能。其中ANSYS为集成结构和电场以及磁场等于一身的有限元分析软件，利用ANSYS与CAD软件之间的图形接口，完成数据共享与交换，运用在结构力学和结构动力学以及热力学等有关方面的计算求解以及模拟，可以在很大程度上提升设计工作效率，实现设计的优化等。对此，分析与研究ANSYS在起重机设计中的运用有着重大意义。
一、设计方式分析
（一）极限状态方法
极限状态方法设计原则如下，结构在相关载荷系数与调整系数共同影响下，计算出的部件应力不可超过极限应力。尽管此计算方式相对精确与合理，可是因为结构中所有分项系数难以明确，因此该计算方式应用比较少。
（二）ANSYS实体模型方法
依据经验完成结构草图的设计过后，利用起重机设计过程中普遍运用的实体单元，比如管、壳与梁等，创建和现实状况基本符合的相关实体模型，然后进行加载验算。此种方法的优势就是概念明确，可以有效反应出结构应力分布状况，依据具体情形完成细节设计，并且可以便于获取结构件实际变形状况。可是也存在一定缺点，建模比较复杂，仅仅可以对结构一些参数进行有效调节，比如说地板厚和型钢尺寸等方面。若是模型定位尺寸或是布局发生变化，就要重新建模然后计算。由于ANSYS实体模型在重建时相对较为复杂，需要消耗大量的时间，而且容易在建模时发生各种各样的错误，对模型调节也需要一定时间，从而就导致设计工作效率低下。
（三）ANSYS综合方法
在分析传统方式与ANSYS实体模型方法的优缺点基础上，在实践设计时应该将两者优点进行有效融合，从而充分发挥出各自有点，在一定程度上提升设计工作效率。而传统设计方式也能够利用ANSYS线模型。利用软件计算获取所有断面轴力和弯矩以及建立分布图。能够在此前提下实现断面尺寸的有效评估。可是因为利用ANSYS方法，有效处理传统方式计算复杂问题，并且调整和重新计算也比较便捷，在计算过程中能够充分考虑垂直荷载与水平荷载造成的结构变形。另外，ANSYS软件具备参数化建模等性能，针对部分形式相对固定的模型，应用参数化建模，只需要调整几个参数就可以实现模型修改与重算，其设计工作效率比较高。可是此种方式在相对复杂模型中应用效果不是很好。
二、ANSYS在起重机设计中的运用
（一）ANSYS优化设计流程
在进行起重机设计时，运用ANSYS实现结构静力和结构动力学以及结构非线性等研究分析。应该对起重机自身结构进行总体分析和科学规划，主要包含起重机结构相关尺寸和结构以及受力数据等方面，并且运用ANSYS创建起重机相关结构模型，依据实际状况完成模型材料定义以及网络的划分，然后对边界条件进行定义，针对相关位置合理施加外部或是内部荷载，比如约束条件和集中荷载以及惯性荷载等。同时在定义边界条件和合理施加荷载过后，要运用ANSYS所提供的处理器完成模拟计算，从而获取有关基本数据以及派生数据，针对模拟计算数据来完成结构分析，并且进行优化，在确保结构强度与刚度以及稳定等相关需求基础上，实现设计方案的合理优化。
（二）明确起重机结构参数
门式起重机结构参数一般包含门架方式和跨度以及起升高度等许多方面。现阶段，门式起重机普遍应用的门架方式主要是板梁与桁架，存在许多支腿型式与主梁截面型式，各种结构与型式受力状况存在明显差异。首先是跨度，其一般指大车运行轨道中心线之间的水平距离，需要依据应用条件与工艺需求进行明确，一般门式起重机跨度处在10.5至38m区间。其次是悬臂长度，为了能够加大作业面积，在一定程度上减小主梁自重，要依据应用需求对一些起重机建立悬臂，而悬臂的长度主要通过自重与活动荷载下的最大弯矩与跨中弯矩进行确定，悬臂长度可取（0.25～0.35）跨度。再次是起升高度，指从地面或轨道顶面至取物装置最高起升位置的铅垂距离（吊钩取钩环中心，抓斗、其他容器和起重电磁铁取其最低点），如果取物装置能下落到地面或轨面以下，则总起升高度为轨面以上的起升高度与轨面以下的下放深度之和，起升高度的选择按作业要求而定，因为起升高度直接影响自重与荷载，进而对轮压的分布造成一定影响，所以必须在满足应用需求基础上尽量减小。最后是支腿选取，起重机支腿存在刚性与柔性差异，跨度相对比较小的起重机，如跨度小于35m时，在安装误差和运行偏斜以及温度变化等相对比较小状况下可选择采用两个刚性支腿的结构。当跨度大于35m时，为补偿温差所造成的结构变形可以制成一个刚性支腿和一个柔性支腿的结构，而且支腿的平面尺寸一定要依据受力特征与构造需求进行明确。
（三）ANSYS应用实例
在进行起重机结构设计时，选择合理结构参数能够防止刚度与强度富余，同时在满足技术性能指标基础上可以减小自重，充分应用ANSYS可以对结构参数进行优化。比如额定的起重量时250吨，而小车和司机室的总重量是120吨，相应起重高度为82.5米的起重机，在主梁截面尺寸实现优化过程中，经过计算之后，梁宽是3500cm，而梁高是8500cm等，有关参数都可以满足相应荷载需求，但是此参数并非最优参数，充分应用ANSYS实现优化，通过对主梁长度的变化次数与翼板厚度的变化次数实现参数化分析，然后设定设计变量和状态变量以及目标函数，在確保最大应力与挠度在规定范围内的基础上，得到的优化主梁翼板重量是263150kg，从而在一定程度上减小自重，提升性价比。
三、结束语
传统设计和计算方式存在一些问题，比如计算精度差和工作量大等，直接影响起重机设计安全性和可靠性以及经济型。对此，充分应用ANSYS实现模拟仿真计算与分析，许多工作能够利用计算机完成，在一定程度上简化设计工作的复杂性，而且获取的信息数据更为准确，还可以对设计方案进行优化。因此，ANSYS应用在起重机设计方面具备一定价值。
参考文献：
[1]范兴超.基于 ANSYS Workbench 对铸造起重机副主梁模态分析[J].山东工业技术，2013（08）：182-186.
[2]尹强，陈世教.基于 ANSYS 的塔式起重机结构模态分析[J].重庆建筑大学学报，2012，（12）：89-95.
[3]陈昆，陈定方，郭建生，卢全国. ANSYS在起重机结构设计中的应用探讨[J].装备制造技术，2013，（24）：12-16.
[4]邢丽静.基于有限元分析的双小车桥式起重机主梁优化设计与软件开发[J].浙江大学，2014，（02）：26-29.
[5]付滔滔.基于VC++和ANSYS接口的参数化桥式起重机桥架有限元分析系统[J].武汉科技大学，2010，（33）：19-21.