基于ANSYS Workbench的高处作业平台结构优化设计

杨硕，钱怡，金惠昌

(1. 江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122； 2. 无锡瑞吉德机械有限公司，江苏 无锡 214122)

0 引言

随着技术的不断进步和工程设备要求的提高，高处作业平台正向着大型化和异型化趋势发展[1]，同时新兴结构也引发了越来越多的问题。高处作业平台的吊点位置和吊点数量直接影响结构的强度、刚度和稳定性。

因此对不同吊点结构高处作业平台的研究是十分有必要的。本文以2.5 m长标准节为基础，给出双吊点结构的40 m长大型高处作业平台设计方案。建立有限元模型，通过静力分析获取结构在危险工况下的应力应变分布规律，进一步讨论吊点位置和数量的不同对整体结构的影响。

1 双吊点结构有限元模型建立

高处作业平台主要由前栏杆、后栏杆、底架、侧板和提升机安装架等组成。根据标准节平台结构尺寸设计出的平台长度为40 m，宽度为0.76 m，前栏杆高1.06 m，后栏杆高1.22 m，提升机安装架高1.32 m。承载额定载重量400 kg。运用Creo三维建模软件建模，模型如图1所示。

图1 40 m作业平台三维实体模型

1.1 有限元建模及简化

模型的网格以六面体单元为主，四面体单元为辅。采用三维实体单元 SOLID186，构件间采用Bonded 接触来模拟螺栓连接。结构阻尼忽略不计，并且施工过程不受风载荷及动载荷影响[2-3]。材料性能如表1所示。

表1 高处作业平台材料性能

参考GB19155-2003，选取150%额定载荷工况，作用在平台中间位置进行静力分析。重力通过施加重力加速度和惯性力来完成。将所有悬挂点位置的提升机架都设置为固定约束，即线位移UX= 0，UY= 0，UZ= 0；角位移ROTX= 0，ROTY= 0，ROTZ= 0[4-5]。

1.2 静态力学性能分析

由图2可知，平台的最大等效应力为130.45 MPa，出现在提升机架和前后栏杆连接位置。由图3可知，平台的最大位移为37.583 mm，出现在平台底部中间区域。平台的变形主要来自集中力载荷，并且平台前后栏杆的高度不同，导致略有横向扭曲变形。对于此高处作业平台，变形应不大于平台长度的1/300，即为40 000/300=133.3 mm，所以本结构设计值满足要求。

图2 150%额定载荷应力云图

图3 150%额定载荷位移图

高处作业平台选用的材料为Q235A结构钢，其屈服强度为σs=295MPa，再结合设计安全系数≥2，可得高处作业平台的许用应力值为147.5MPa，因此结构的强度满足设计要求。综上所述，此初步设计方案满足结构强度和刚度要求。

2 多吊点结构平台吊点位置设计和选择

2.1 多吊点位置选择和布置分析

提升吊点的位置确定要保证：结构整体受力合理，并且在保证安全的前提下尽量减少吊点的数量来满足经济性要求；提升吊点位置的选择应多以结构中心为对称中心，以结构主轴线为对称轴，以此来保证提升的平稳性；提升吊点应考虑平台结构尺寸，以便于进行安装[6]。因此实际工况中常采用三吊点和四吊点结构，对于多吊点结构，理论上相同型号的多组提升机具有相同提升速度，可以保证平台平稳工作，而且目前所使用的电气控制箱采用具有同步控制功能的PLC控制器，能够较好地控制提升机的同步起升，很好地解决调平问题[7-8]。

在高处作业平台的初步设计方案之上，三吊点结构平台要保证整体对称性，内部吊点应位于第8和第9标准节之间。四吊点结构平台内部吊点的选取不仅要满足对称性，还要保证吊点位置最优，需要运用ANSYS Workbench进行优化分析。

2.2 四吊点结构平台吊点优化分析

1) 简易模型有限元模型建立

设计了一种简易模型代替真实模型进行寻优，将平台整体视为细长梁结构。由于其工作时材料处于线性阶段，根据弹性理论，梁的变形与载荷大小、梁的尺寸、约束和材料特性有关，为了模拟真实结构，设置简易模型的材料特性、约束以及截面惯性矩I与真实模型相同，从而通过简易模型来模拟真实模型的变形规律，寻找最大挠度。

简易模型平台实体部分采用三维实体单元SOLID186，而钢丝绳拉索则采用 LINK180单元。通过 Workbench 平台中几何建模模块建立线体模型并赋予截面特征参数，并插入Command 命令以实现对拉索的模拟[9]。

2) 四吊点结构平台吊点位置优化求解

选取内部两吊点分别至近端部的距离作为输入参数。高处作业吊篮国家标准(GB19115-2003) 规定：钢丝绳吊点距悬吊平台端部距离应大于悬吊平台全长的1/4。所以输入参数取值范围为10 m～17.5 m，同时选取静力分析结果中的最大位移作为输出参数。

采用目标驱动优化方法，以输出参数值最小为优化目标，将候选优化设计点设计值插入程序计算[10]，得到最佳优化解：P1=-12.495m，P2=12.495m。考虑到平台是由单节长度为2.5m的标准节组装而成，对最优解取整处理得P1=-12.5m，P2=12.5m，即在第5标准节和第6标准节连接处设置吊点为最优解。

3 不同吊点结构对比分析

经过有限元模拟分析，3种不同吊点结构的计算结果如表2所示，不同结构下平台的最大应力与挠度的变化关系如图4、图5所示。

表2 不同结构平台有限元计算结果

图4 不同结构下平台最大应力随吊点数量变化关系

A. 双吊点平台结构挠度曲线；B. 三吊点平台结构挠度曲线；C. 四吊点平台结构挠度曲线图5 不同结构下平台挠度随长度方向变化关系

由表2和图4可知，相对于双吊点结构平台，吊点数量的增加导致平台最大应力有较明显的下降。三吊点结构平台与四吊点结构平台最大应力相近，并且四吊点结构平台最大应力相对较大。

由表2和图5可知，在相同的危险工况下，高处作业平台在增加吊点后，挠度有了明显减小。三吊点平台和四吊点平台结构都有效地提高了结构的刚度，增强了高处作业平台的稳定性和安全性。由于对称结构的相异，三吊点结构平台最大位移出现在吊点之间的中心位置，而四吊点结构平台每两个吊点之间都有较大位移，并且内部两吊点之间具有最大的位移，同时三吊点结构和四吊点结构的最大位移数值相近。因此，多吊点的平台结构可以对大型高处作业平台提供优化，如果工况对平台的结构没有特殊要求，那么采用三吊点平台结构的方式可以减小机器制造的成本，有效提高工厂经济效益。

4 结语

以标准节结构为基础建立的40m高处作业平台，在危险工况下满足强度和刚度的要求，得到了初步设计方案。以初步设计方案为基础，讨论吊点数量的改变对平台整体结构的影响。得出结论为，若结构上无特殊要求，在同样的条件下三吊点结构高处作业平台具有较好的稳定性、安全性和经济性。

通过简易模型的吊点位置优化设计方案寻求挠度变化的最优解，运用简易模型最优解来指导选取真实模型的吊点位置，找到真实模型的吊点位置初步设计方案。此种方法大大减轻了真实模型直接寻找吊点位置最优解过程的工作量，简易模型优化分析的结果获得了较真实的参考数据。