公路橋梁架設(shè)用門式起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1、2007年 MSC.Software 中國用戶論文集公路橋梁架設(shè)用門式起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計雷春麗 張昕蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院長安大學(xué)工程機械學(xué)院- 1 -2007年 MSC.Software 中國用戶論文集公路橋梁架設(shè)用門式起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計Optimization Design for Gantry Crane Structurein Highway Bridge Span雷春麗 張昕（1.蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院；2.長安大學(xué)工程機械學(xué)院） 12摘 要： 運用最優(yōu)化方法，以起重機金屬結(jié)構(gòu)重量最輕為目標(biāo)函數(shù)，以結(jié)構(gòu)的主要梁構(gòu)件的截面尺寸為設(shè)計變量，以強度、剛度為約束，應(yīng)用有限元分析軟件MSC

2、/NASTRAN對門式起重機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過優(yōu)化分析，獲得了起重機結(jié)構(gòu)主要梁構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，有效地改進(jìn)了設(shè)計。關(guān)鍵詞： 桁架門式起重機 優(yōu)化設(shè)計 有限元分析Abstract: The structure of the gantry crane is optimized with the optimization method, with the lightest weight of the crane structure as the object, with the section dimension of the main girder component as the v

3、ariant, with the strength and rigidity as the restraint, and with the application of the MSC/NASTRAN finite element analysis software. Through the optimization analysis, the optimization design parameters of main girder components in the crane structure are obtained, and improved it effectively.Key

4、Words: truss gantry crane, optimization design, finite element analysis 1 引言桁架式門式起重機由于具有結(jié)構(gòu)輕便、節(jié)約材料、起重靈活、操作簡單、安裝及拆卸方便等特點,被廣泛地應(yīng)用于施工企業(yè)的公路橋梁架設(shè)工地上。因此確保桁架式起重機的安全運轉(zhuǎn)，對提高工作效率、降低生產(chǎn)成本、防止人身傷亡、樹立良好的企業(yè)信譽等方面起著非常重要的作用。由于本文研究對象是凈高36m、跨度為24m的桁架式公路橋梁架設(shè)用門式起重機，它的主梁和支腿均為變截面空間桁架結(jié)構(gòu)，手工計算比較麻煩，會耗費過多的計算工作量，因此本文對憑借經(jīng)驗來設(shè)計的門式起重機采用有

5、限元法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過優(yōu)化分析計算，獲得了起重機結(jié)構(gòu)主要梁構(gòu)件的優(yōu)化參數(shù)。有限元分析表明，優(yōu)化設(shè)計模型滿足結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性的要求。2 金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立21 目標(biāo)函數(shù)門式起重機金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)是結(jié)構(gòu)重量的最輕化。22 設(shè)計變量優(yōu)化問題的設(shè)計變量的確定實質(zhì)上是結(jié)構(gòu)參數(shù)化的過程。本文研究的對象是桁架式門式- 2 -2007年 MSC.Software 中國用戶論文集起重機，主要構(gòu)件是型鋼，因而起重機的主要梁構(gòu)件可采用梁單元來建模，故設(shè)計變量為各個型鋼的截面尺寸。根據(jù)有限元分析，等邊角鋼的各個參數(shù)對重量變化的靈敏度較小，同時為避免解題規(guī)模過大而導(dǎo)致硬件資源的問題，故優(yōu)化時不作

6、為變參，這樣就確定了20個設(shè)計變量。各變量的具體含義見表1。表1 設(shè)計變量的初值、優(yōu)化結(jié)果及圓整結(jié)果 mm設(shè)計參數(shù)變量意義初值 100 485.3優(yōu)化結(jié)果85 40.8 4.505 7.225 119.05 51.03 6.8 8.0775 136 55.25 7.225 8.5 209.09 86.25 7.6518 11.374 127.8接近的型鋼尺寸80 43 5 8 126 53 5.5 9 140 58 6 9.5 220 79 9 11.5 140x1x2x310號槽鋼的高度10號槽鋼的翼緣板寬度 10號槽鋼的腹板厚度x4x5x610號槽鋼的翼緣板厚度 14b號槽鋼的高度 14b

7、號槽鋼的翼緣板寬度 14b號槽鋼的腹板厚度 14b號槽鋼的翼緣板厚度8.5 140 60 8 9.5 160 65 8.5 10 200 75 9 11 140X7X8X916號槽鋼的高度 16號槽鋼的翼緣板寬度 16號槽鋼的腹板厚度 16號槽鋼的翼緣板厚度 20號槽鋼的高度 20號槽鋼的翼緣板寬度 20號槽鋼的腹板厚度 20號槽鋼的翼緣板厚度 14b號槽鋼對焊成箱形的高度X10X11X12X13X14X15X16X17- 3 -2007年 MSC.Software 中國用戶論文集 X1814b號槽鋼對焊成箱形的翼緣板寬度14b號槽鋼對焊成箱形的腹板厚度14b號槽鋼對焊成箱形的翼緣板厚度 12

8、0 8 9.5 115.38 6.9088 8.55 120 8 9.5 X19X2023 約束條件約束條件主要有性能約束和邊界約束兩方面。性能約束也稱為功能約束，這是根據(jù)設(shè)計對象應(yīng)滿足的功能要求而建立的約束條件。對于優(yōu)化問題，性能約束主要考慮對結(jié)構(gòu)強度和剛度的要求，即應(yīng)力和位移應(yīng)在有關(guān)規(guī)范確定的范圍內(nèi)。（1）應(yīng)力約束：桁架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力須小于所用材料的允許應(yīng)力，本文型鋼采用的是A3鋼，取其許用應(yīng)力為=160MPa。，則應(yīng)力約束函數(shù)為：（i/）-1=0 （i=1，2，n）n表示桁架結(jié)構(gòu)中單元的數(shù)目。（2）位移約束：桁架結(jié)構(gòu)的最大撓度須小于規(guī)定的撓度，對各種工況分析垂向變化最大的主梁中心進(jìn)行位移

9、約束，根據(jù)起重機設(shè)計手冊，本文采用的許可撓度為：y =0.034，由于主梁中心的預(yù)拱度為0.02m，則yi0.054 （i=1，2，n）（3）邊界約束規(guī)定了設(shè)計變量的取值范圍，對于起重機結(jié)構(gòu)的梁構(gòu)件，由于考慮到型鋼的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計變量的約束范圍定為上下變化15%。24 優(yōu)化計算工況通常，起重機結(jié)構(gòu)強度主要考慮彎曲工況。本文以最常見的彎曲工況（最大靜載）為例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。25 力學(xué)模型簡化后的有限元模型如圖1。共劃分單元12128個，節(jié)點21363個。共2種材料屬性和2種單元類型，分別為梁單元和板單元。- 4 -2007年 MSC.Software 中國用戶論文集圖 1 門式起重機的有限元模型3 優(yōu)

10、化分析結(jié)果設(shè)計變量的初值與優(yōu)化結(jié)果見表1?？梢钥吹剑捎趹?yīng)力有富裕，支腿和支腿橫梁全部桿件、主梁的全部腹桿的應(yīng)力值都有所下降，僅主梁上弦桿的應(yīng)力值有所增加。4 輕量化設(shè)計模型的有限元分析41 尺寸參數(shù)的圓整優(yōu)化分析結(jié)果為起重機結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供了較可信的依據(jù)。根據(jù)這一結(jié)果，考慮型鋼的尺寸系列，將設(shè)計變量優(yōu)化值加以標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)的圓整結(jié)果，見表1。42 有限元分析選取優(yōu)化后接近的型鋼型號，重新進(jìn)行了上述工況的強度、剛度、穩(wěn)定性計算。結(jié)果如表2：表2優(yōu)化前優(yōu)化后 應(yīng)力（MPa） 72.3 87.2 最大垂向變形量（m） 0.0425 0.0456 一階屈曲特征值 6.7655

11、7.367 金屬結(jié)構(gòu)自重（t） 73.2845 64.08606優(yōu)化后的應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。上述結(jié)果顯示，應(yīng)力有所增大，也較以前分布均勻，而靜態(tài)變形也由0.0425m增加為0.0456m，略有所增加，但滿足位移約束。穩(wěn)定安全系數(shù)也略有增加。也可以看出，應(yīng)力值變化不大，說明撓度約束起主要作用。起重機原重量為73.2845t，優(yōu)化后，起重機的最終重量為64.08606t，減少了9.19844t，降幅達(dá)12.55%。所有數(shù)據(jù)都表明，通過優(yōu)化設(shè)計，有效地改進(jìn)了設(shè)計，在滿足各項要求的基礎(chǔ)上，達(dá)到了優(yōu)化的輕量化目標(biāo)。- 5 -2007年 MSC.Software 中國用戶論文集圖2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)應(yīng)力云紋圖5 結(jié)論（1）通過對門式起重機金屬結(jié)構(gòu)的分析，可以看到，在改進(jìn)起重機金屬結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性的同時，有效的減少了重量，達(dá)到了設(shè)計優(yōu)化的目的。（2）利用有限元靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計，對復(fù)雜的大型機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)是行之有效的，本文的研究方法可供同類產(chǎn)品及其它大型結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。6 參考文獻(xiàn)1 榮見華，鄭健龍，徐飛鴻編結(jié)構(gòu)動力修改及