吊車(chē)性能優(yōu)化的鋼結構優(yōu)化設計

技術(shù)探討第4卷第18期G|CONSTRUCTION2014年6月吊車(chē)性能優(yōu)化的鋼結構優(yōu)化設計李軍包鋼稀:土鋼板材有限責任公司冷軋作業(yè)部?jì)让砂^ 014010摘要:隨著(zhù)現代科技的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規模的不斷擴大和自動(dòng)化程度的不斷提高，起重機的應用越來(lái)越廣泛，作用也越來(lái)越大。目前，我國橋式起重機金屬結構存在著(zhù)結構尺寸較大、材料浪費的問(wèn)題，對大型橋式起重機鋼結構進(jìn)行優(yōu)化設計，優(yōu)化結果合理、準確、可靠。關(guān)鍵詞:橋式起重機;優(yōu)化鋼結構設計中圖分類(lèi)號: TU391文獻標識碼: A前言:設計-體化的發(fā)展趨勢。起重機械是一種用于物料起重、運輸、裝卸等作業(yè)的機械設備,二、橋式起重機模型的建立在現代化生產(chǎn)中的應用8益廣泛也占有重要地位。起重運輸機械對生1、研究對象介紹產(chǎn)力、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、運輸效率等方面的影響力相當大，是現研究選用最通用的橋式起重機一50/10t--31.5m雙梁橋式起重機作代化生產(chǎn)中必不可少的設備，對提高生產(chǎn)安全性、降低事故率更有著(zhù)為研究對象， 其跨度31.5m?？傃b圖圖號為: 150282, 橋架圖號為:顯著(zhù)作用。橋式起重機作為起重運輸機械中最重要的一種，占室內起A1454， 主梁圖號為: M2778， 端梁圖號為: N1542， 小車(chē)圖號為:重機的90%左右，其特點(diǎn)在于不占用建筑物內的主要地面，卻能以極150282-2， 大車(chē)圖號為: 150282- -3。最大起升高度12m起升速度7.8m/少的物料和極為穩定的形態(tài)把建筑房?jì)雀魈幾鳛樽鳂I(yè)范圍，其次，容min, 小車(chē)運行速度38.5m/min,大車(chē)運行速度87.3m/min。小車(chē)工作級易實(shí)現半自動(dòng)或自動(dòng)控制。因此在運輸機械設備中，具有不可替代的別M5, 大車(chē)工作級別M6。圖1圖2為50/101-31.5m雙橋式起重機設計重要作用，深受用戶(hù)的歡迎，從而成為起重機械中生產(chǎn)批量最大、材模型。料消耗最多的一-種產(chǎn)品。以此橋式起重機實(shí)際應用為研究對象，進(jìn)行結構輕量化設計技術(shù)-、 結構優(yōu)化設計概述研究。結構優(yōu)化設計就是在滿(mǎn)足各種行業(yè)規范及某種特定要求的前提下，使結構的某種指標(如重量、造價(jià)、頻率或剛度等)為最佳的設計方法。結構優(yōu)化設計是20世紀60年代發(fā)展起來(lái)設計方法，在當時(shí)較過(guò)去傳統的設計方法是一門(mén)新的設計方法，它是隨著(zhù)計算機的發(fā)展，有限單元法的廣泛應而發(fā)展起來(lái)的。計算機的大量高速運算能力是優(yōu)化設計的實(shí)現工具，數學(xué)規劃理論及方法是其理論基礎。計算機技術(shù)的發(fā)展和數學(xué)理論及方法的研究促使優(yōu)化設計以及改進(jìn)快速的完成。早期的優(yōu)化方法主要運用古典的微分法和變分法。20世紀60年代，現代結構理論的奠基人LA.Scmit首先將有限元素法與數學(xué)規劃相結合用來(lái)處理多種載荷情況下彈性結構的最小重量問(wèn)題1221,從而形圖1 起重機總裝圖成了現代結構優(yōu)化的基本思想。隨后數學(xué)規劃方法在結構設計領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展，復合形法、序列線(xiàn)形規劃法、可行方向法、懲罰函數法等數學(xué)規劃法都被用來(lái)求解結構優(yōu)化問(wèn)題。針對數學(xué)規劃法和優(yōu)化準則法存在的問(wèn)題，上個(gè)世紀70年代， 出現了一種優(yōu)化數學(xué)理論統一了 數學(xué)規劃法和優(yōu)化準則法，以由Fleury和710Schmit提出的近似概念為該方法的代表。結合該理論開(kāi)發(fā)出結構優(yōu)化ACCESS程序系統，極大的提高了優(yōu)化設計的效率，開(kāi)辟了結構優(yōu)化設圖2 導入HyperMesh的實(shí)體模型計的新領(lǐng)域。它結合了力學(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(xiàn)性問(wèn)題轉化為- -系列近似問(wèn)題，轉化后問(wèn)題帶顯示約束，這樣就1)起重機橋架幾何模型的建立可以用數學(xué)規:劃方法進(jìn)行求解。根據該橋式起重機的設計圖紙，運用三維建模軟件Pro/E進(jìn)行近現代隨著(zhù)優(yōu)化理論的深化，出現了一種新的優(yōu)化理論，即仿生幾何建模， 主要設計參數尺寸如下:主梁有效長(cháng)度為31.5m，上下學(xué)方法。該理論以自然界演化過(guò)程中“適者生存”為準則的絕妙優(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(guò)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。其中以遺傳算法應用最為廣泛，它可以用于連續變量的優(yōu)化，也螺栓， 小孔等細小結構，并盡量保證鋼板的連續，去除在分析中不重可以用于整數或離散變量,甚至可以用于非數值型變量，因此遺傳算要結構。 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)成為在求解復雜優(yōu)化問(wèn)題時(shí)應用最多。架的幾何模型如圖5和6所示:近年來(lái)，優(yōu)化設計理論的研究取得了更高層次的發(fā)展，對于給定結構幾何形狀、拓撲結構和材料的前提下，只有構件的截面可變問(wèn)題的優(yōu)化設計已經(jīng)基本成熟。隨著(zhù)結構優(yōu)化設計研究的發(fā)展深化，結構優(yōu)化的應用軟件也取得了很大的發(fā)展。- -類(lèi)是 專(zhuān)門(mén)]研制的結構優(yōu)化軟件，如 ACCESS DDDU, OASIS, SAPOP, ASTROS, GENESIS, CAOS中國煤化工等;另一類(lèi)是由現有的有限元分析軟件二次開(kāi)發(fā)打展成的結構優(yōu)化軟MHCNMHG件,后者體現了將結構有限元分析、結構優(yōu)化設計方法和計算機輔助圖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方向的轉動(dòng)自由度。三、橋式起重機結構形狀優(yōu)化計算分析1、建立形狀優(yōu)化模型形狀優(yōu)化為在滿(mǎn)足設計要求的條件下通過(guò)改變模型的幾何形狀來(lái)改變模型的結構性能以實(shí)現結構優(yōu)化。本研究中通過(guò)HyperMoph實(shí)現有限元模型的網(wǎng)格變形定義形狀變量與設計變量，確定優(yōu)化相關(guān)響應、圖4 端梁三維模型約束條件和目標函數，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(xiāo)光形圖5橋架的三維模型 (前視圖)形狀變星與設計受量關(guān)聯(lián)動(dòng)畫(huà)預堂形狀變化電文響應，內束。日標動(dòng)數優(yōu)化網(wǎng)題長(cháng)解圖6橋架的三維模型 (后視圖)圖9形狀優(yōu)化流程圖3、起重機橋架有限元模型的建立起重機形狀優(yōu)化主要優(yōu)化上蓋板與下蓋板間距，腹板間距。通過(guò)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，預設一-個(gè)形狀變化由于橋式起重機主梁結構比較復雜，則將三維模型導人HyperMesh up-and- down:向上50mm;移動(dòng)內腹板網(wǎng)格，預設形狀變化in- and-時(shí)文件轉換可能會(huì )有信息流失或錯誤，因此需對導入后的模型進(jìn)行幾out: 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)量檢測對抽取出的中面進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，采用automesh劃分網(wǎng)格，由于起重機主梁結構中的最小部件腳鋼的邊長(cháng)是50mm，因此選擇邊長(cháng)為50mm的正方形殼單元，整機總網(wǎng)格數為210370,整機總質(zhì)量為37.81,與設計圖紙-致，建立的有限元模型如圖7所示:通過(guò)'qualityindex'按鈕單元進(jìn)行質(zhì)量檢測，檢查是否存在扭曲畸變單元。圖10預設形狀變化圖7橋架的單元模型研究以總體積最小為目標函數，以形狀變化高度( height)和寬4、整個(gè)橋架結構等效靜力學(xué)計算結果度(width)為設計變量，應力、應變能、模態(tài)為約束條件，分別建立基于文獻的研究結論，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計變量:-s sheight s20合到大車(chē)車(chē)輪的中心點(diǎn)，定義各中心點(diǎn)的約束來(lái)模擬簡(jiǎn)支梁，如圖8所-S≤width≤20目標函數( 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方向的轉動(dòng)自由度。式中，V(X)是中國煤化工荷下起重機總的位置2:約束x, y方向的移動(dòng)自由度以及Y方向的轉動(dòng)自由度。應變能; K為系統的網(wǎng):YHCN M H G的節點(diǎn)位移矢量，位置3:約束Y方向的移動(dòng)自由度以及Y方向的轉動(dòng)自由度。σ為應力，F為固有m (A個(gè)函數q與。G與σ技術(shù)探討第4卷第18期后|CONSTRUCTION2014年6月( von mise應力)是從有限元分析中獲得的結構響應.2、Q235 的橋架形狀優(yōu)化計算結果分析運用形狀優(yōu)化模塊morph進(jìn)行形狀優(yōu)化計算，經(jīng)過(guò)4次循環(huán)迭代得到的優(yōu)化結果如下:目標函數: Volume=2.27E+09mm', Mass=17.91設計變量: 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目標函數和設計變量的收斂情況如圖11-13所示，目標函數即體圖15工況4主梁 應力分布云圖積分數自第10步收斂于33007E+09mm'，設計變量: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主梁應力分布云圖圖11 目標函數的收斂情況圖17工況3主梁位移分布云圖根據圖14-17可知，工況3下主梁上最大位移出現在腹板中間位置圖12腹板間距 ( width )的收斂情況為429mm,最大應力出現在下蓋板中間位置為98.6MPa,工況4下最大應力出現在載荷加載處的上蓋板上為87.2MPa,工況5下最大應力出現主梁端部的外側腹板上為74.4MPao分析應主梁位移分布云圖可以得到形狀優(yōu)化前后的最大應力、最大位移比較如表1所示:表1比較起 重機優(yōu)化前后的結構性能許用應力約束應力最大應力最大位質(zhì)量初始模型91. 6MPa40. 3m.9t176MPa100MPa形狀優(yōu)化98. 6MPa42. 9um .17.9t通過(guò)以上計算結果，總質(zhì)量由原來(lái)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)化后的剛度強度滿(mǎn)足起重機設計規范。優(yōu)化模型的強度和剛度計算結果如圖14-17所示:四、結語(yǔ)因此，利用有限元結構優(yōu)化技術(shù)能在保證起重機剛度、強度以及其他性能要求的基礎上，進(jìn)行結構優(yōu)化設計，大大減少材料的使用，最終實(shí)現橋式起重機結構輕量化設計。參考文獻:[1]王福綿.橋式起重機靜剛度設計及相關(guān)問(wèn)題探討[小].起重運輸機械2009(12): 42-44.[2]馮俊蓮.基于A(yíng)NSYS的橋式起重機主梁優(yōu)化設計[I].科協(xié)論壇.2008(4): 21-22.[3]陳洋.40噸門(mén)座式起重機臂架系統模型動(dòng)力學(xué)仿真研究，中南林圖14工況3主梁應力分布云圖業(yè)科技大學(xué)[D].2010.5.中國煤化工文:JMCHCNMH G全文此文章編碼: 2014J9011