吊车性能优化的钢结构优化设计

技术探讨第4卷第18期G|CONSTRUCTION2014年6月吊车性能优化的钢结构优化设计李军包钢稀:土钢板材有限责任公司冷轧作业部内蒙包头 014010摘要:随着现代科技的迅速发展，工业生产规模的不断扩大和自动化程度的不断提高，起重机的应用越来越广泛，作用也越来越大。目前，我国桥式起重机金属结构存在着结构尺寸较大、材料浪费的问题，对大型桥式起重机钢结构进行优化设计，优化结果合理、准确、可靠。关键词:桥式起重机;优化钢结构设计中图分类号: TU391文献标识码: A前言:设计-体化的发展趋势。起重机械是一种用于物料起重、运输、装卸等作业的机械设备,二、桥式起重机模型的建立在现代化生产中的应用8益广泛也占有重要地位。起重运输机械对生1、研究对象介绍产力、生产成本、产品质量、运输效率等方面的影响力相当大，是现研究选用最通用的桥式起重机一50/10t--31.5m双梁桥式起重机作代化生产中必不可少的设备，对提高生产安全性、降低事故率更有着为研究对象， 其跨度31.5m。总装图图号为: 150282, 桥架图号为:显著作用。桥式起重机作为起重运输机械中最重要的一种，占室内起A1454， 主梁图号为: M2778， 端梁图号为: N1542， 小车图号为:重机的90%左右，其特点在于不占用建筑物内的主要地面，却能以极150282-2， 大车图号为: 150282- -3。最大起升高度12m起升速度7.8m/少的物料和极为稳定的形态把建筑房内各处作为作业范围，其次，容min, 小车运行速度38.5m/min,大车运行速度87.3m/min。小车工作级易实现半自动或自动控制。因此在运输机械设备中，具有不可替代的别M5, 大车工作级别M6。图1图2为50/101-31.5m双桥式起重机设计重要作用，深受用户的欢迎，从而成为起重机械中生产批量最大、材模型。料消耗最多的一-种产品。以此桥式起重机实际应用为研究对象，进行结构轻量化设计技术-、 结构优化设计概述研究。结构优化设计就是在满足各种行业规范及某种特定要求的前提下，使结构的某种指标(如重量、造价、频率或刚度等)为最佳的设计方法。结构优化设计是20世纪60年代发展起来设计方法，在当时较过去传统的设计方法是一门新的设计方法，它是随着计算机的发展，有限单元法的广泛应而发展起来的。计算机的大量高速运算能力是优化设计的实现工具，数学规划理论及方法是其理论基础。计算机技术的发展和数学理论及方法的研究促使优化设计以及改进快速的完成。早期的优化方法主要运用古典的微分法和变分法。20世纪60年代，现代结构理论的奠基人LA.Scmit首先将有限元素法与数学规划相结合用来处理多种载荷情况下弹性结构的最小重量问题1221,从而形图1 起重机总装图成了现代结构优化的基本思想。随后数学规划方法在结构设计领域得到了迅速的发展，复合形法、序列线形规划法、可行方向法、惩罚函数法等数学规划法都被用来求解结构优化问题。针对数学规划法和优化准则法存在的问题，上个世纪70年代， 出现了一种优化数学理论统一了 数学规划法和优化准则法，以由Fleury和710Schmit提出的近似概念为该方法的代表。结合该理论开发出结构优化ACCESS程序系统，极大的提高了优化设计的效率，开辟了结构优化设图2 导入HyperMesh的实体模型计的新领域。它结合了力学的概念和各种各样的近似方法，使高度的2、有限元模型的建立非线性问题转化为- -系列近似问题，转化后问题带显示约束，这样就1)起重机桥架几何模型的建立可以用数学规:划方法进行求解。根据该桥式起重机的设计图纸，运用三维建模软件Pro/E进行近现代随着优化理论的深化，出现了一种新的优化理论，即仿生几何建模， 主要设计参数尺寸如下:主梁有效长度为31.5m，上下学方法。该理论以自然界演化过程中“适者生存”为准则的绝妙优化盖板间距为1700mm，腹板间距为590mm，大筋板的间距大部分为过程的模拟。目前主要包括遗传算法、模拟退火法和神经元网络算法1200mm~2750mm， 小筋板的间距为400mm~550mm。几何建模时简化等。其中以遗传算法应用最为广泛，它可以用于连续变量的优化，也螺栓， 小孔等细小结构，并尽量保证钢板的连续，去除在分析中不重可以用于整数或离散变量,甚至可以用于非数值型变量，因此遗传算要结构。 主梁的三维模型如图3所示，端梁的三维模型如图4所示，桥法已经成为在求解复杂优化问题时应用最多。架的几何模型如图5和6所示:近年来，优化设计理论的研究取得了更高层次的发展，对于给定结构几何形状、拓扑结构和材料的前提下，只有构件的截面可变问题的优化设计已经基本成熟。随着结构优化设计研究的发展深化，结构优化的应用软件也取得了很大的发展。- -类是 专门]研制的结构优化软件，如 ACCESS DDDU, OASIS, SAPOP, ASTROS, GENESIS, CAOS中国煤化工等;另一类是由现有的有限元分析软件二次开发打展成的结构优化软MHCNMHG件,后者体现了将结构有限元分析、结构优化设计方法和计算机辅助图3主梁三三维模刑第4卷第18期技术探讨2014年6月CONSTRUCTION后位置4:约束y，z方向的移动自由度以及Y方向的转动自由度。三、桥式起重机结构形状优化计算分析1、建立形状优化模型形状优化为在满足设计要求的条件下通过改变模型的几何形状来改变模型的结构性能以实现结构优化。本研究中通过HyperMoph实现有限元模型的网格变形定义形状变量与设计变量，确定优化相关响应、图4 端梁三维模型约束条件和目标函数，建立形状优化模型求解，形状优化流程图如图9所示:高能付建更的●雅销光形图5桥架的三维模型 (前视图)形状变星与设计受量关联动画预堂形状变化电文响应，内束。日标动数优化网题长解图6桥架的三维模型 (后视图)图9形状优化流程图3、起重机桥架有限元模型的建立起重机形状优化主要优化上盖板与下盖板间距，腹板间距。通过1)模型几何清理按扭‘ morph’向上移动主梁和端梁下盖板网格，预设一-个形状变化由于桥式起重机主梁结构比较复杂，则将三维模型导人HyperMesh up-and- down:向上50mm;移动内腹板网格，预设形状变化in- and-时文件转换可能会有信息流失或错误，因此需对导入后的模型进行几out: 变化50mm。形状变化如图10所示:何清理。2 )网格划分及网格质量检测对抽取出的中面进行单元网格划分，采用automesh划分网格，由于起重机主梁结构中的最小部件脚钢的边长是50mm，因此选择边长为50mm的正方形壳单元，整机总网格数为210370,整机总质量为37.81,与设计图纸-致，建立的有限元模型如图7所示:通过'qualityindex'按钮单元进行质量检测，检查是否存在扭曲畸变单元。图10预设形状变化图7桥架的单元模型研究以总体积最小为目标函数，以形状变化高度( height)和宽4、整个桥架结构等效静力学计算结果度(width)为设计变量，应力、应变能、模态为约束条件，分别建立基于文献的研究结论，将桥架的主梁和端梁的约束均处理为简支Q235 和Q345的优化数学模型如下:梁，即一端固定，另一端简支。桥架有四个轮子，分别将端梁端部祸设计变量:-s sheight s20合到大车车轮的中心点，定义各中心点的约束来模拟简支梁，如图8所-S≤width≤20目标函数( Min): V (X) =V ( height x upandown, width x inandout )示:C,=u5s,s1.x0J j-1.-.约束条件(St): Q235: Ku=fσ≤100MPaF≥3化.c,=u,/,s1.1xI0J 1...Q345: Ku=f .8桥架示意图σ≤150MPa载荷约束为:位置1:约束x, y, z方向的移动自由度以及Y方向的转动自由度。式中，V(X)是中国煤化工荷下起重机总的位置2:约束x, y方向的移动自由度以及Y方向的转动自由度。应变能; K为系统的网:YHCN M H G的节点位移矢量，位置3:约束Y方向的移动自由度以及Y方向的转动自由度。σ为应力，F为固有m (A个函数q与。G与σ技术探讨第4卷第18期后|CONSTRUCTION2014年6月( von mise应力)是从有限元分析中获得的结构响应.2、Q235 的桥架形状优化计算结果分析运用形状优化模块morph进行形状优化计算，经过4次循环迭代得到的优化结果如下:目标函数: Volume=2.27E+09mm', Mass=17.91设计变量: height=- -0.36，width=1.2优化后，上下盖板间距: 1724mm+0.36 x 50mm=1742mm腹板间距: 600mm-1.2 x 50mm=540mm主梁的高宽比: 1724/540=3.19C目标函数和设计变量的收敛情况如图11-13所示，目标函数即体图15工况4主梁 应力分布云图积分数自第10步收敛于33007E+09mm'，设计变量:腹板间距( width )自第10步收敛于1.2，上下盖板间距( height)自第10步收敛于-0.360图16工况5主梁应力分布云图图11 目标函数的收敛情况图17工况3主梁位移分布云图根据图14-17可知，工况3下主梁上最大位移出现在腹板中间位置图12腹板间距 ( width )的收敛情况为429mm,最大应力出现在下盖板中间位置为98.6MPa,工况4下最大应力出现在载荷加载处的上盖板上为87.2MPa,工况5下最大应力出现主梁端部的外侧腹板上为74.4MPao分析应主梁位移分布云图可以得到形状优化前后的最大应力、最大位移比较如表1所示:表1比较起 重机优化前后的结构性能许用应力约束应力最大应力最大位质量初始模型91. 6MPa40. 3m.9t176MPa100MPa形状优化98. 6MPa42. 9um .17.9t通过以上计算结果，总质量由原来的18.9t减少至17.9t，减少了图13.上下盖 板间距( height )的收敛情况6.3%。同时，优化后的刚度强度满足起重机设计规范。优化模型的强度和刚度计算结果如图14-17所示:四、结语因此，利用有限元结构优化技术能在保证起重机刚度、强度以及其他性能要求的基础上，进行结构优化设计，大大减少材料的使用，最终实现桥式起重机结构轻量化设计。参考文献:[1]王福绵.桥式起重机静刚度设计及相关问题探讨[小].起重运输机械2009(12): 42-44.[2]冯俊莲.基于ANSYS的桥式起重机主梁优化设计[I].科协论坛.2008(4): 21-22.[3]陈洋.40吨门座式起重机臂架系统模型动力学仿真研究，中南林图14工况3主梁应力分布云图业科技大学[D].2010.5.中国煤化工文:JMCHCNMH G全文此文章编码: 2014J9011