叶恭宇
浙江省特种设备检验研究院 浙江省杭州市 310020
摘要：门式起重机是一种常用的物料搬运机械，广泛应用于工业生产中，具有货场利用率高、运行成本低以及装卸效率高等优点。金属结构是门式起重机的骨架，在工作过程中能够承受和传递各种载荷，其整体性能决定着起重机的使用寿命。为了提高起重机的设计质量，对结构形式进行一定的优化设计，在确保其整体性能符合要求的前提下，尽可能减轻重量，节省材料，提高企业的经济效益。
关键词：门式起重机；结构设计；设计要点
1结构优化的基本概念
1.1 设计变量
每项设计方案需要通过一组基本的参数表示，这些基本参数主要包括：构件长度、截面尺寸、某些位置的坐标值、重量、惯性矩、应力、变形、固有频率以及效率等。在对某个结构进行优化设计过程中，工艺和结构布置等方面的参数可以根据设计经验进行取值，其他参数可以在优化过程中进行调整，这些一直处于变化状态中的参数，被称为设计变量。设计变量主要有连续和离散两种不同的类型，在机械优化设计中涉及到的变量大多数都是连续变量，可以通过常规的优化方法进行求解。
1.2 目标函数
判定不同机械设计方案的优劣主要通过对设计指标进行系统全面的分析，设计指标通过一定的转化能够转变为相应的设计变量函数，该函数即为目标函数。不同的优化方案具有不同的目标函数，目标函数的范围非常广泛，可以是重量、体积，可以是功耗、产量等。建立目标函数是优化设计中的关键过程，目标函数根据目标数量的不同可以分为单目标函数和多目标函数，其中单目标函数是指在优化设计过程中，只对某一问题进行优化；多目标函数是指在优化设计过程中，同时对多个目标进行优化。在实际的优化过程中，目标函数越多，越有利于提高设计的水平，能够取得较好的设计效果，但是其优化难度也较高。
2门式起重机结构优化设计的基本方法与步骤
本项目开发的 800 t 吊钩门式起重机是国内较大起重量的门式起重机，具有结构复杂、制造难度大等特点，具体体现为结构轻量化、可靠性、配套件选型以及安装调试 4 个方面，其主要采用的结构优化设计的基本方法与步骤如下
2.1采用有限元分析，实现结构最优化
主结构设计时，为减轻结构自重，实现轻量化设计，采用 Midas/civil 有限元分析技术对整机结构件进行强度、刚度校核。通过有限元分析，在钢结构满足强度、刚度要求的前提下，减小主梁、支腿截面尺寸、最优筋板布置。为减小局部应力，提高焊接质量，主梁采用 T 型钢结构，以控制焊接变形，使结构设计更加合理。
2.2 欧式小车设计结构，实现起重机轻量化，并重视门式起重机结构有限元静态计算结果
常规传统起重机小车结构见图 1，采用 8 轮结构，机构布置尺寸较大，自重达 84．4 t，增加了起重机主梁的负担。因此该起重机小车采用欧式结构，如图2 所示，定滑轮放置在小车架之上，较大地提高了上极限尺寸；车轮采用 6 轮结构，合理分布轮压，起升机构布置采用了单电机、单标准减速机 + 开式齿轮、单卷筒设计的结构型式，减小了起升减速机型号，降低了配套件成本，同时也大幅地减小了小车尺寸；小车结构自重。
同时，通过静载试验可知，小车在主梁跨中时产生的应力最大，上主弦应力比下主弦要小，而小车在支腿侧时产生的应力较小，主要为腹杆受力模式；通过动载试验可知，小车在主梁跨中时产生的应力最大，上主弦应力比下主弦要小，而小车在支腿侧时产生的应力较大，其中柔性支腿侧的应力达到最大值，此时腹杆受力较小，且小于材料的许用应力。最后，跨中和悬臂端下挠值均满足国家标准的要求，位移较小，刚度满足规范要求。
2.3基本方法
简单解法。主要包括图解法和解析法两种，前者是指在设计空间中做出可行域与目标函数的等值面，通过在可行域中寻找能够让目标函数取得最小值的位置；准则法。该方法是从工程和力学的角度出发，在符合一定准则的条件下，通过迭代方法求解出最优解。该方法具有较快的收敛速度，迭代次数与变量数目之间没有必然的联系，主要用于结构布局及几何形状确定的情况；数学规划法。为了将复杂的结构问题简单化，可以将结构问题转化为数学规划问题，并采用数学规划法进行问题的求解。在进行结构的优化过程中，有约束的非线性规范是比较常用的一种数学规划方法，相较于线性规划问题，该种类型的问题比较复杂，并且具有较大的求解难度。
2.4基本步骤
将结构优化问题转化为与之相应的数学规划问题，并建立适宜的数学模型；根据建立的数学模型和要优化的结构特点，选择有针对性的优化算法将优化算法通过计算机语言编写成相应的迭代程序；通过计算机对迭代算法进行充分的迭代计算，并选出与之相应的最优方案；对选出的方案进行更进一步的检验，并根据校验结果进行有针对性的调整。此外，将优化设计问题进行一定的数学抽象，即可得到优化设计相应的数学模型，主要由设计变量、约束条件以及目标函数 3 部分组成。优化问题的数学模型可以定义为：在符合各种约束条件的前提下，为了让目标函数能够达到最优值，而通过数学模型求解出一组最适宜的设计变量。随着计算机技术的不断发展，将其运用于优化问题能大大提高优化效率，因此，为了适应计算机进行优化的需要，结合计算机语言的特点，优化设计模型。同时在建立数学模型之后，其迭代计算过程如图3所示。
图3 结构优化过程示意
2.5瞬态分析
门式起重机在工作状态中，其结构承受着频繁行走和装卸产生的动荷载，通过瞬态分析可以为门式起重机的结构设计提供依据，随着时间的变化，结构产生的位移和应变便可由瞬态分析来确定。本文认为在门式起重机的多种工况中，只有起升冲击带来的动态效应比较显著，其他的荷载可以忽略不计。因此，我们首先建立起时间变化和荷载大小的荷载步初始条件，采取APDL命令来实现初位移和初速度之间的关系，明确起升冲击效应过程中的三个阶段：起升机工作但货物还是静止状态，钢丝绳由松弛到拉紧；货物为静止状态，但钢丝绳内部产生了弹性变形，拉力等于货物自重；货物起升，产生振动上升阶段。由此便可根据振动产生的结构阻尼得到阻尼矩阵，明确积分时间步长，最后得到实现门式起重机工作平稳性的必要条件。
结论
总之，为了提高门式起重机结构的设计质量，就要对其进行结构优化设计，并根据结构特点选择适宜的优化方法，确保优化设计工作得以顺利实施。深入分析研究优化设计的基本概念，在此基础上，论述了优化设计的基本方法和步骤，对于从事优化设计工作的人员具有一定的借鉴意义。
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论文作者:叶恭宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/25
标签：起重机论文; 结构论文; 优化设计论文; 函数论文; 目标论文; 应力论文; 小车论文; 《防护工程》2018年第15期论文;