技術(shù)探討第4卷第18期G|CONSTRUCTION2014年6月吊車性能優(yōu)化的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)李軍包鋼稀:土鋼板材有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部?jī)?nèi)蒙包頭 014010摘要:隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的不斷提高，起重機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，作用也越來越大。目前，我國(guó)橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)存在著結(jié)構(gòu)尺寸較大、材料浪費(fèi)的問題，對(duì)大型橋式起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果合理、準(zhǔn)確、可靠。關(guān)鍵詞:橋式起重機(jī);優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào): TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A前言:設(shè)計(jì)-體化的發(fā)展趨勢(shì)。起重機(jī)械是一種用于物料起重、運(yùn)輸、裝卸等作業(yè)的機(jī)械設(shè)備,二、橋式起重機(jī)模型的建立在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應(yīng)用8益廣泛也占有重要地位。起重運(yùn)輸機(jī)械對(duì)生1、研究對(duì)象介紹產(chǎn)力、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)輸效率等方面的影響力相當(dāng)大，是現(xiàn)研究選用最通用的橋式起重機(jī)一50/10t--31.5m雙梁橋式起重機(jī)作代化生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備，對(duì)提高生產(chǎn)安全性、降低事故率更有著為研究對(duì)象， 其跨度31.5m。總裝圖圖號(hào)為: 150282, 橋架圖號(hào)為:顯著作用。橋式起重機(jī)作為起重運(yùn)輸機(jī)械中最重要的一種，占室內(nèi)起A1454， 主梁圖號(hào)為: M2778， 端梁圖號(hào)為: N1542， 小車圖號(hào)為:重機(jī)的90%左右，其特點(diǎn)在于不占用建筑物內(nèi)的主要地面，卻能以極150282-2， 大車圖號(hào)為: 150282- -3。最大起升高度12m起升速度7.8m/少的物料和極為穩(wěn)定的形態(tài)把建筑房?jī)?nèi)各處作為作業(yè)范圍，其次，容min, 小車運(yùn)行速度38.5m/min,大車運(yùn)行速度87.3m/min。小車工作級(jí)易實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或自動(dòng)控制。因此在運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備中，具有不可替代的別M5, 大車工作級(jí)別M6。圖1圖2為50/101-31.5m雙橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)重要作用，深受用戶的歡迎，從而成為起重機(jī)械中生產(chǎn)批量最大、材模型。料消耗最多的一-種產(chǎn)品。以此橋式起重機(jī)實(shí)際應(yīng)用為研究對(duì)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)-、 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述研究。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在滿足各種行業(yè)規(guī)范及某種特定要求的前提下，使結(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)(如重量、造價(jià)、頻率或剛度等)為最佳的設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來設(shè)計(jì)方法，在當(dāng)時(shí)較過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是一門新的設(shè)計(jì)方法，它是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有限單元法的廣泛應(yīng)而發(fā)展起來的。計(jì)算機(jī)的大量高速運(yùn)算能力是優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)工具，數(shù)學(xué)規(guī)劃理論及方法是其理論基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)學(xué)理論及方法的研究促使優(yōu)化設(shè)計(jì)以及改進(jìn)快速的完成。早期的優(yōu)化方法主要運(yùn)用古典的微分法和變分法。20世紀(jì)60年代，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理論的奠基人LA.Scmit首先將有限元素法與數(shù)學(xué)規(guī)劃相結(jié)合用來處理多種載荷情況下彈性結(jié)構(gòu)的最小重量問題1221,從而形圖1 起重機(jī)總裝圖成了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本思想。隨后數(shù)學(xué)規(guī)劃方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展，復(fù)合形法、序列線形規(guī)劃法、可行方向法、懲罰函數(shù)法等數(shù)學(xué)規(guī)劃法都被用來求解結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。針對(duì)數(shù)學(xué)規(guī)劃法和優(yōu)化準(zhǔn)則法存在的問題，上個(gè)世紀(jì)70年代， 出現(xiàn)了一種優(yōu)化數(shù)學(xué)理論統(tǒng)一了 數(shù)學(xué)規(guī)劃法和優(yōu)化準(zhǔn)則法，以由Fleury和710Schmit提出的近似概念為該方法的代表。結(jié)合該理論開發(fā)出結(jié)構(gòu)優(yōu)化ACCESS程序系統(tǒng)，極大的提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，開辟了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)圖2 導(dǎo)入HyperMesh的實(shí)體模型計(jì)的新領(lǐng)域。它結(jié)合了力學(xué)的概念和各種各樣的近似方法，使高度的2、有限元模型的建立非線性問題轉(zhuǎn)化為- -系列近似問題，轉(zhuǎn)化后問題帶顯示約束，這樣就1)起重機(jī)橋架幾何模型的建立可以用數(shù)學(xué)規(guī):劃方法進(jìn)行求解。根據(jù)該橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)圖紙，運(yùn)用三維建模軟件Pro/E進(jìn)行近現(xiàn)代隨著優(yōu)化理論的深化，出現(xiàn)了一種新的優(yōu)化理論，即仿生幾何建模， 主要設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸如下:主梁有效長(zhǎng)度為31.5m，上下學(xué)方法。該理論以自然界演化過程中“適者生存”為準(zhǔn)則的絕妙優(yōu)化蓋板間距為1700mm，腹板間距為590mm，大筋板的間距大部分為過程的模擬。目前主要包括遺傳算法、模擬退火法和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法1200mm~2750mm， 小筋板的間距為400mm~550mm。幾何建模時(shí)簡(jiǎn)化等。其中以遺傳算法應(yīng)用最為廣泛，它可以用于連續(xù)變量的優(yōu)化，也螺栓， 小孔等細(xì)小結(jié)構(gòu)，并盡量保證鋼板的連續(xù)，去除在分析中不重可以用于整數(shù)或離散變量,甚至可以用于非數(shù)值型變量，因此遺傳算要結(jié)構(gòu)。 主梁的三維模型如圖3所示，端梁的三維模型如圖4所示，橋法已經(jīng)成為在求解復(fù)雜優(yōu)化問題時(shí)應(yīng)用最多。架的幾何模型如圖5和6所示:近年來，優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的研究取得了更高層次的發(fā)展，對(duì)于給定結(jié)構(gòu)幾何形狀、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和材料的前提下，只有構(gòu)件的截面可變問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)基本成熟。隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的發(fā)展深化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用軟件也取得了很大的發(fā)展。- -類是 專門]研制的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，如 ACCESS DDDU, OASIS, SAPOP, ASTROS, GENESIS, CAOS中國(guó)煤化工等;另一類是由現(xiàn)有的有限元分析軟件二次開發(fā)打展成的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟MHCNMHG件,后者體現(xiàn)了將結(jié)構(gòu)有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)輔助圖3主梁三三維模刑第4卷第18期技術(shù)探討2014年6月CONSTRUCTION后位置4:約束y，z方向的移動(dòng)自由度以及Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。三、橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化計(jì)算分析1、建立形狀優(yōu)化模型形狀優(yōu)化為在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下通過改變模型的幾何形狀來改變模型的結(jié)構(gòu)性能以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本研究中通過HyperMoph實(shí)現(xiàn)有限元模型的網(wǎng)格變形定義形狀變量與設(shè)計(jì)變量，確定優(yōu)化相關(guān)響應(yīng)、圖4 端梁三維模型約束條件和目標(biāo)函數(shù)，建立形狀優(yōu)化模型求解，形狀優(yōu)化流程圖如圖9所示:高能付建更的●雅銷光形圖5橋架的三維模型 (前視圖)形狀變星與設(shè)計(jì)受量關(guān)聯(lián)動(dòng)畫預(yù)堂形狀變化電文響應(yīng)，內(nèi)束。日標(biāo)動(dòng)數(shù)優(yōu)化網(wǎng)題長(zhǎng)解圖6橋架的三維模型 (后視圖)圖9形狀優(yōu)化流程圖3、起重機(jī)橋架有限元模型的建立起重機(jī)形狀優(yōu)化主要優(yōu)化上蓋板與下蓋板間距，腹板間距。通過1)模型幾何清理按扭‘ morph’向上移動(dòng)主梁和端梁下蓋板網(wǎng)格，預(yù)設(shè)一-個(gè)形狀變化由于橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，則將三維模型導(dǎo)人HyperMesh up-and- down:向上50mm;移動(dòng)內(nèi)腹板網(wǎng)格，預(yù)設(shè)形狀變化in- and-時(shí)文件轉(zhuǎn)換可能會(huì)有信息流失或錯(cuò)誤，因此需對(duì)導(dǎo)入后的模型進(jìn)行幾o(hù)ut: 變化50mm。形狀變化如圖10所示:何清理。2 )網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量檢測(cè)對(duì)抽取出的中面進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，采用automesh劃分網(wǎng)格，由于起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)中的最小部件腳鋼的邊長(zhǎng)是50mm，因此選擇邊長(zhǎng)為50mm的正方形殼單元，整機(jī)總網(wǎng)格數(shù)為210370,整機(jī)總質(zhì)量為37.81,與設(shè)計(jì)圖紙-致，建立的有限元模型如圖7所示:通過'qualityindex'按鈕單元進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，檢查是否存在扭曲畸變單元。圖10預(yù)設(shè)形狀變化圖7橋架的單元模型研究以總體積最小為目標(biāo)函數(shù)，以形狀變化高度( height)和寬4、整個(gè)橋架結(jié)構(gòu)等效靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果度(width)為設(shè)計(jì)變量，應(yīng)力、應(yīng)變能、模態(tài)為約束條件，分別建立基于文獻(xiàn)的研究結(jié)論，將橋架的主梁和端梁的約束均處理為簡(jiǎn)支Q235 和Q345的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下:梁，即一端固定，另一端簡(jiǎn)支。橋架有四個(gè)輪子，分別將端梁端部禍設(shè)計(jì)變量:-s sheight s20合到大車車輪的中心點(diǎn)，定義各中心點(diǎn)的約束來模擬簡(jiǎn)支梁，如圖8所-S≤width≤20目標(biāo)函數(shù)( Min): V (X) =V ( height x upandown, width x inandout )示:C,=u5s,s1.x0J j-1.-.約束條件(St): Q235: Ku=fσ≤100MPaF≥3化.c,=u,/,s1.1xI0J 1...Q345: Ku=f .8橋架示意圖σ≤150MPa載荷約束為:位置1:約束x, y, z方向的移動(dòng)自由度以及Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。式中，V(X)是中國(guó)煤化工荷下起重機(jī)總的位置2:約束x, y方向的移動(dòng)自由度以及Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。應(yīng)變能; K為系統(tǒng)的網(wǎng):YHCN M H G的節(jié)點(diǎn)位移矢量，位置3:約束Y方向的移動(dòng)自由度以及Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。σ為應(yīng)力，F(xiàn)為固有m (A個(gè)函數(shù)q與。G與σ技術(shù)探討第4卷第18期后|CONSTRUCTION2014年6月( von mise應(yīng)力)是從有限元分析中獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng).2、Q235 的橋架形狀優(yōu)化計(jì)算結(jié)果分析運(yùn)用形狀優(yōu)化模塊morph進(jìn)行形狀優(yōu)化計(jì)算，經(jīng)過4次循環(huán)迭代得到的優(yōu)化結(jié)果如下:目標(biāo)函數(shù): Volume=2.27E+09mm', Mass=17.91設(shè)計(jì)變量: height=- -0.36，width=1.2優(yōu)化后，上下蓋板間距: 1724mm+0.36 x 50mm=1742mm腹板間距: 600mm-1.2 x 50mm=540mm主梁的高寬比: 1724/540=3.19C目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量的收斂情況如圖11-13所示，目標(biāo)函數(shù)即體圖15工況4主梁 應(yīng)力分布云圖積分?jǐn)?shù)自第10步收斂于33007E+09mm'，設(shè)計(jì)變量:腹板間距( width )自第10步收斂于1.2，上下蓋板間距( height)自第10步收斂于-0.360圖16工況5主梁應(yīng)力分布云圖圖11 目標(biāo)函數(shù)的收斂情況圖17工況3主梁位移分布云圖根據(jù)圖14-17可知，工況3下主梁上最大位移出現(xiàn)在腹板中間位置圖12腹板間距 ( width )的收斂情況為429mm,最大應(yīng)力出現(xiàn)在下蓋板中間位置為98.6MPa,工況4下最大應(yīng)力出現(xiàn)在載荷加載處的上蓋板上為87.2MPa,工況5下最大應(yīng)力出現(xiàn)主梁端部的外側(cè)腹板上為74.4MPao分析應(yīng)主梁位移分布云圖可以得到形狀優(yōu)化前后的最大應(yīng)力、最大位移比較如表1所示:表1比較起 重機(jī)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)性能許用應(yīng)力約束應(yīng)力最大應(yīng)力最大位質(zhì)量初始模型91. 6MPa40. 3m.9t176MPa100MPa形狀優(yōu)化98. 6MPa42. 9um .17.9t通過以上計(jì)算結(jié)果，總質(zhì)量由原來的18.9t減少至17.9t，減少了圖13.上下蓋 板間距( height )的收斂情況6.3%。同時(shí)，優(yōu)化后的剛度強(qiáng)度滿足起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范。優(yōu)化模型的強(qiáng)度和剛度計(jì)算結(jié)果如圖14-17所示:四、結(jié)語因此，利用有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)能在保證起重機(jī)剛度、強(qiáng)度以及其他性能要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大減少材料的使用，最終實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn):[1]王福綿.橋式起重機(jī)靜剛度設(shè)計(jì)及相關(guān)問題探討[小].起重運(yùn)輸機(jī)械2009(12): 42-44.[2]馮俊蓮.基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)[I].科協(xié)論壇.2008(4): 21-22.[3]陳洋.40噸門座式起重機(jī)臂架系統(tǒng)模型動(dòng)力學(xué)仿真研究，中南林圖14工況3主梁應(yīng)力分布云圖業(yè)科技大學(xué)[D].2010.5.中國(guó)煤化工文:JMCHCNMH G全文此文章編碼: 2014J9011