论起重机金属结构优化及轻量化

论起重机金属结构优化及轻量化

周义太

珠海市人防工程设备安装有限公司

摘要：文章主要从门式起重机参数化建模出发，分别阐述了门式起重机静力学，以及门式起重机轻量化设计，旨在与广大同行共同探讨学习。

关键词：门式起重机；轻量化设计；金属结构优化

一、门式起重机参数化建模

1.有限元概述

有限元法（FEM，FiniteElementMethod）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的一部分，这种简单部分就称作有限元。

2.门式起重机主要结构及性能参数

（1）基本结构

本文研究的门式起重机结构简图如图1-1所示，其金属结构主要包括主梁、端梁、悬臂梁、马鞍架、支腿和下横梁。（1—主梁、2—刚性支腿、3—柔性支腿、4—马鞍架、5—端梁、6—下横梁）

图1-1起重机结构简图

（2）性能参数

基本参数：

额定起重量：50000N；跨度：30m；起升高度：12m；小车轨距：2.5m；小车轮距：3.98m；

刚性支腿端的悬臂长度：10.5m；柔性支腿端的悬臂长度：9.5m；小车总质量：11000N；工作级别：A6；起升速度：7.8m/min；大车运行速度：49m/min；小车运行速度：31.2m/min。

二、门式起重机静力学分析

通过对门式起重机金属结构进行有限元分析，以了解其金属结构的静态特性和动态特性，为之后结构轻量化设计提供参考和依据。

1.静力学分析理论

结构静力学分析主要是通过求解系统或部件的平衡方程（2.1），来获得在外载作用下系统的响应。

[K]{δ}={F}（2.1）

式中：

[K]——结构的刚度矩阵；

{δ}——节点位移向量；

{F}——节点载荷向量。

基于ANSYS的静力学分析主要包括建立结构的几何模型、定义材料属性、指定单元类型划分单元网格、设置边界条件、加载、求解等几个重要步骤。通过后处理操作，其位移和应力分布可以用云图的形式直观反映出结构各部位中位移和应力的大小。

2.静刚度计算

结构的静刚度是指结构抵抗自身变形的能力。在门式起重机金属结构中，主梁的刚性不足会恶化构件的工作条件，影响结构的使用性能，间接导致结构承载能力的下降。因此，在保证结构静强度的同时，静刚度作为起重机设计中的一个重要指标不容忽视，其设计要求为：

yL≤[yL]（2.2）

式中：Yl——结构的挠度；[yL]——结构的许用挠度。

该门式起重机的工作级别为A6，当小车位于主梁跨中时，[yL]=L/750，L为主梁跨度，单位为（m）；当小车位于柔性支腿悬臂端时，[yL]=l1/350，l1为柔性支腿悬臂端长度，单位为（m）；当小车位于刚性支腿悬臂端时，[yL]=l2/350，l2为刚性支腿悬臂端长度，单位为（m）。

三、门式起重机轻量化设计

1.门式起重机轻量化设计方案

（1）采用先进的制造工艺。先进的制造工艺主要包括连接工艺和先进的成型技术，例如薄板热成型、内高压成型、低压液压成型和真空压铸等等。通过先进的制造工艺可使原有材料的强度变得更高，例如高强钢辊压可生产出屈服强度达到1200MPa的超高强度钢。先进的制造工艺在保证整体结构安全性的同时，会受到成本、设备和设计等因素的制约。

（2）对结构进行优化，减少材料的冗余，实现结构的轻量化设计。对拓扑结构已定的门式起重机来说，使用结构优化技术减小门式起重机的箱型截面尺寸和外形尺寸来实现其轻量化，可以在仅改变结构设计的尺寸而不改变结构生产工艺的前提下，利用原有的生产设备和加工工艺来生产、加工产品，最大限度的降低产品的成本。

目前，结构优化设计已成为实现起重机金属结构轻量化的一个主要途径。在结构优化之前，为提高结构优化的效率，首先利用灵敏度分析技术筛选出对起重机金属结构总体积影响较大的设计参数，确定为设计变量，之后通过结构优化的方法来实现门式起重机金属结构的轻量化设计。

（3）结构动态优化设计

动态优化设计是指结构的优化模型中的目标函数或约束条件中包含有动刚度，动位移等结构动态特性的优化设计问题。其中，动刚度对门式起重机整个结构的动态特性影响较大。在结构优化设计过程中，为了保持结构具有良好的动态特性，在静刚度、静强度约束条件的基础上，添加结构的动刚度作为约束条件对起重机金属结构进行动态优化设计。

分步优化方法如下：

①第一步优化时，将设计变量全做来连续变量处理，采用Sub_problem优化算法进行迭代。在第一次结构优化完成后，将T1、T2、T3、T4这些设计变量分别圆整成起重机手册中标准的板厚值。

②在进行第二次优化时，将圆整后的板厚参数作为常量，把H、W、L1、L2设置为设计变量进行优化，待计算完成后，查看优化结果，圆整连续变量。

2.结构优化分析结果

进入ANSYS优化设计模块，读入结构优化分析文件，为设计变量设置优化分析的上下限值，提取结构的固有频率、最大等效应力，主梁垂直方向最大挠度和主梁宽高比设置为状态变量。选用一阶优化算法中的Sub_problem算法，设置最大迭代步数为30，执行第一次结构优化，程序迭代了17次，在迭代步数执行到13步时获得结构优化分析的最优解，其中，依据起重机设计手册钢板的板厚，将获得最优设计变量结果中的板厚值圆整成标准值，将其余变量再次定义为设计变量执行结构的第二次优化，经过8次迭代，获得设计变量的最优解。将最终结构优化结果进行圆整如表3.1所示。

表3.1设计变量优化前后对比

以结构优化后圆整的尺寸作为设计参数，再次对门式起重机结构进行静力学性能分析，以验证优化的结构是否满足设计静刚度和静强度设计指标。其结构在优化前后各评估指标如表3.2所示。

表3.2优化前后各评价指标

参考文献：

[1]张海波.GA-FEA的门座起重机金属结构优化设计[J].建筑学，2017

[2]谢少华.起重机轻量化设计存在的问题及措施[J].建筑工程技术与设计，2015