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摘要：对桥式起重机的主梁进行可靠性的优化设计，要利用有限元分析软件ANSYS。在软件中建立桥式起重机主梁的模型，进行了静强度和刚度分析；在此基础上，对桥式起重机主梁结构进行确定性的优化设计；采用对数正态分布来模拟起重载荷，对优化后的结构进行了可靠性分析。最后建立了桥式起重机主梁的可靠性优化模型，应用 MATLAB 优化工具箱进行了编程计算，结果对比表明：确定性优化设计未能考虑参数随机性的影响，而采用可靠性优化设计方法，保证刚度可靠度达 0.989 6 时，主梁减重比例为 18.7%，从而实现了主梁在满足可靠度要求下的轻量化。
关键词：桥式起重机主梁；ANSYS；刚度；可靠性优化
引言
桥式起重机主梁是整机结构中的主要承载部分，其可靠性是设计者及客户一直以来所非常关心的问题． 在桥式起重机主梁制造生产过程中，由于加工技术、制造技术、客观环境等因素的制约，会导致主梁的几何尺寸、材料以及载荷等大量不确定参数的出现，这些不确定参数会直接影响起重机主梁的工作性能。 因此，需要使用概率有限元方法对桥式起重机主梁进行结构可靠性分析，提高设计阶段的理论可靠度。在运用有限元软件对系列化桥式起重机主梁进行可靠性分析时，需要花费大量的时间用于逐个建立几何模型、划分网格、加载、后处理等，并且，有限元软件对专业分析能力要求较高，界面的交互性、友好性较差。鉴于此，本文基于大型有限元分析软件ANSYS，运用 Microsoft Visual C + + 编程软件的强大软件开发功能，与某重型机械有限公司合作，对某系列化小车式桥式起重机焊接箱型主梁可靠性分析软件的开发进行了探讨和研究，使之容易为设计人员所掌握，并提高了主梁可靠性分析的效率。
1主梁结构静力学分析
1.1主梁有限元模型的建立
建立桥式起重机的主梁结构有限元模型，要应用有限元分析软件ANSYS，如图1所示。针对箱型桥式起重机主梁结构，选用壳单元Shell181(UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ)模拟，该单元适用于薄到中等厚度的壳结构，且具有应力刚化及大变形功能。
由图2、3可知，主梁跨中满载下的垂直方向最大等效位移为10.35mm，最大等效应力为149MPa。取安全系数ns=1.3，桥式起重机主梁材料为Q345钢，许用应力[σ]=345÷1.3=265MPa，垂直方向的挠度δ=10.35＜L÷800=16.25mm。可知，桥式起重机主梁结构在最危险工况下均满足强度和刚度准则，且安全裕度很大，可对桥式起重机金属结构的尺寸进行优化，以减轻其质量。
2主梁结构优化设计
2.1优化模型
以腹板厚(t1)、上下翼板厚(t2)、梁高(h)、梁宽(b)为优化设计变量，以主梁结构总体积(VT′min)最小为目标变量，取静刚度和静强度为状态变量，即目标函数
3.2.1模型几何参数
由于加工不能保证几何尺寸绝对准确，故只能将其限制在允许的范围内，即几何尺寸也是一个随机变量。
3.2.2材料特性参数
我国钢材的抗拉强度σb和屈服强度σs能保证90%不小于下限值。抗拉强度变异系数取0.05，钢弹性模量变异系数取0.03。
3.2.3载荷参数
GB/T3811—2008《起重机设计规范》用载荷状态级别和起重机标准载荷谱图来描述起重机载荷情况，得到载荷状态级别为Q2时均值系数为0.467，标准差系数为0.308。采用工程上常用的0.05显著性水平时，桥式起重机起升载荷可接受对数正态分布的假设检验。
3.3计算结果及分析
应用响应面法后，计算的结果置信度为95%，主梁刚度可靠度结果如图5所示。由图5可知，优化后桥式起重机主梁结构的刚度可靠度为0.9535。查阅《起重机设计手册》可知，通用桥式起重机可靠度不小于0.98(对应的可靠性指数为2.06)，显然此优化后的桥式起重机结构不满足可靠性的要求，说明按传统确定性的优化设计是不够的，这种设计方法没有反映出机械结构参数的随机性对优化结果的影响，从而机械结构的安全性能没有得到充分的保障，需考虑可靠性优化设计。
梁跨度中点的挠度
式中：l为梁长，m；P为集中力载荷，即轮压，m；q为均布载荷集度，m；I为惯性矩；A为箱型截面面积，m2。根据3.1和4.1可进行可靠性指数β的求解。
4.2.2优化模型
桥式起重机主梁在跨度一定时，可以取箱型截面面积A最小为目标函数，设计参数变量为X=[x1，x2，…，xn]T，以满足刚度可靠指数β0和几何尺寸为约束，其数学模型如下：
f(X)min=A=2(t1h+bt2-2t1t2)，
s.t.β0-β≤0，
0.006≤t1≤0.012，
0.006≤t2≤0.014，
0.74≤h≤0.95，
0.38≤b≤0.464。
以上模型是双重嵌套优化设计，外层优化采取调用MATLAB中遗传算法的主函数求解。
4.3可靠性优化结果及对比
可靠性优化后的箱型截面尺寸(圆整后)分别为：t1=0.006m，t2=0.008m，h=0.743m，b=0.385m，A=0.014884m2；优化后的刚度可靠指数β=2.3227；可靠度R=0.9896，其优化设计结果对比如表3所列。
由表3可得，确定性优化设计结果的可靠度没有达到设计要求，而可靠性优化设计方法保证可靠度在0.9896时，主梁减重比例为18.7%，从而实现了主梁在满足可靠度要求下的轻量化。
结语
以ANSYS为平台对桥式起重机主梁结构进行了确定性的优化设计，对优化设计结果进行了可靠性分析，最后在MATLAB中进行了可靠性优化设计。结果表明，确定性优化后的桥式起重机主梁结构强度和刚度满足使用要求，且达到了减重的目标，但其刚度可靠度存在一定不足；最后通过可靠性优化设计，得到了桥式起重机主梁的结构，在满足可靠度要求的前提下达到减重目的。
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论文作者:闻成成
论文发表刊物:《防护工程》2017年第31期
论文发表时间:2018/3/19
标签：桥式起重机论文; 优化设计论文; 可靠性论文; 结构论文; 刚度论文; 载荷论文; 可靠论文; 《防护工程》2017年第31期论文;