优化起重机钢结构件设计方法研究.PDF

【2 0 】第 2 6 卷第 1 期2 0 0 4 - 0 1 制造业自动化 收稿日期 2 0 0 3 - 0 4 - 1 1 作者简介贾文强 （1 9 7 0 －） ， 男， 山西省人， 工程师， 主要从事起重机的机械设计。 优化起重机钢结构件设计方法研究 贾文强，王民利，康文河 （太原重型机械集团有限公司技术中心， 太原 0 3 0 0 2 4 ） 摘要 介绍普通桥式起重机钢结构件优化设计方法研究， 并以实例验算对比分析。 关键词普通桥式起重机；钢结构件；小车架；优化设计；方法研究 中图分类号T H 2 1文献标识码B 文章编号 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 0 4 0 1 - 0 0 2 0 - 0 5 普通桥式起重机的钢结构件在其产品设计中， 占据的比重是相当大的。继普通桥式起重机桥架 C A D 课题完成并实际应用十多年之后， 又一次对普 通桥式起重机小车架，在钢结构件的优化设计方 面，进行深入的研究。以普通桥式起重机小车架为 例，通过对其钢结构件的强度、刚度规范设计和优 化计算， 力图避免产品设计当中出现的不规范性或 保守性。使得设计质量得以保障，其钢结构件的重 量最轻， 成本降低。优化起重机钢结构件设计方法 研究 软件的实现， 是采用d e l p h i 5 软件开发完成 的。 1 力学模型、数学模型的建立和刚度 标准值的确定 第 2 6 卷第 1 期2 0 0 4 - 0 1 【2 1 】 制造业自动化 力学模型见图1 ，数学模型详见以下强度与刚 度的校核和设计计算。 刚度控制值的确定 小车架刚度控制基本值[ D E ] 、上限值[ D E 0 ] （表1 ） 表1 注上表中H D 为刚度计算值 2 强度校核和设计计算 [ 上滑轮梁] s j h ; 需要输入的数据 （已知条件） S H 上滑轮梁腹板高S B腹板间距K 小车轨距 B S 上盖板宽BX下盖板宽D E刚度控制值 T 1 腹板 1 厚T 2 腹板 2 厚 S G M P 许用应力基本值T 3 上盖板厚T 4 下盖板厚 E I 弹性模量S L 每根钢丝绳力 S N 钢丝绳根数 弯矩 M S S N S L / 2 K / 2 形心位置 x s [ b s*t 3 s h t 3 / 2 t 4 b x*t 4 t 4 / 2 t 1*s h* s h / 2 t 4 t 2*s h* s h / 2 t 4 ] / b s*t 3 b x*t 4 t 1*s h t 2*s h 惯性矩 I x s 1 / 1 2*b s*t 3 3 1 / 1 2*b x*t 4 3 1 / 1 2*t 1*s h 3 1 / 1 2*t 2*s h 3 b s*t 3 s h T 4 - x s T 3 / 2 2 b x*T 4 x s - T 4 / 2 2 T 1*s h s h / 2 t 4 - x s 2 t 2*s h s h / 2 t 4 - x s 2 截面参数 b s 上盖板宽b x 下盖板宽 s h 腹板高 s b 腹板间距t 1 腹板1 厚t 2 腹板2 厚 t 3 上盖板厚t 4 下盖板厚x s 形心位置 y m a x { x s , s h t 3 t 4 - x s } 上滑轮梁正应力 σ S G M S M s*y m a x / I x s S L*S N*K / 2 *y m a x / I x s σ ≤[ σ] 若σ ＞[ σ] 即S G M S ＞S G M P 提示上滑轮梁 强度不能满足要求，请修改截面。即修改腹板1 ，2 厚T 1 、 T 2 ；上下盖板厚T 3 、T 4 和腹板高 （梁高） S H 。 若有要求， 设计变量上下盖板宽B S 、 B X 也能进行值 的修改。 [ 端梁] d j h ; 需要输入的数据（已知条件） DH端梁腹板高DB腹板间距 B D S上盖板宽B D X 下盖板宽 T 5腹板 1 厚T 6腹板 2 厚 T 7上盖板厚T 8下盖板厚 a上滑轮梁至轮1 的距离 bb w - a 且a b 弯矩 M D a * b * S L * S N / 2 / w 形心位置 x d [ b d s*t 7* d h t 7 / 2 t 8 b d x*t 8* t 8 / 2 t 5*d h* d h / 2 t 8 t 6*d h* d h / 2 t 8 ] / b d s*t 7 b d x*t 8 t 5*d h t 6*d h 惯性矩 I x D 1 / 1 2*b d s*t 7 3 1 / 1 2 *b d x*t 8 3 1 / 1 2 *t 5*d h 3 1 / 1 2*t 6*d h 3 b d s*t 7 d h T 8 - x d T 7 / 2 2 b d x*T 8 x d - t 8 / 2 2 T 5*d h d h / 2 t 8 - x d 2 t 6*d h d h / 2 t 8 - x d 2 截面 b d s 上盖板宽b d x 下盖板宽d h 腹板高 d b 腹板间距t 5 腹板1 厚t 6 腹板2 厚 t 7 上盖板厚t 8 下盖板厚x d 形心位置 Y m a x { x d , d h t 7 t 8 - x d } 端梁正应力 σ S G M D M D* y m a x/ I x d a *b* S L*S N / 2 / w*y m a x/ I x d σ≤[ σ] 若σ ＞[ σ] 即S G M D＞S G M P 提示端梁强度 不能满足要求， 请修改截面。 即修改腹板1 ， 2 厚T 5 、 T 6 ；上下盖板厚T 7 、T 8 和腹板高（梁高）D H 。若 有要求，设计变量上下盖板宽B D S 、B D X 也能进行 值的修改。 端梁头部设计校核计算 d t j ; 需要输入的数据（已知条件） TH端梁头部腹板高D T B腹板间距 B T S 上盖板宽B T X下盖板宽 T 9腹板1 厚T 9腹板2 厚 T 7上盖板厚T 1 0 下盖板厚 P 1 Z 轮压最大值（输入） P 2 Z P 1 Z 剪应力 τ T A O P 1 z / 2*T 9*T H 【2 2 】第 2 6 卷第 1 期2 0 0 4 - 0 1 制造业自动化 第 2 6 卷第 1 期2 0 0 4 - 0 1 【2 3 】 制造业自动化 小车架目标成本 C X G X*C B J 打印输出设计计算书 （1 ）A 4 幅面，各项已知条件和设计变量值。 （2 ）上滑轮梁，端梁及头部各项计算结果。 （3 ）上滑轮梁，端梁截面优化设计运算后的优 化值。 （4 ）其它相关参数，如重量、价格、目标成本 等。 5 两种优化设计方法的实现 起重机钢结构件的优化设计，以梁的腹板厚 度、 上下盖板厚度上下盖板宽度和梁的高度作为设 计变量。也可将其中的某一项或几项作为常量，以 刚度、 强度或疲劳强度和设计变量的上下限作为约 束条件，以梁截面积最小、惯性矩最大作为目标函 数，进行多元优化计算。最终给出原设计变量的初 值和优化值以及最小目标函数值， 也即给出最优截 面的数值。 根据以往优化设计的经验和实际使用效 果， 采用相辅相成的两种优化设计方法最能解决起 重机钢结构件的优化问题。 一种是针对工程设计中， 由于制造技术和生产工艺等各种因素制约， 约束条 件复杂且不好确定的情况下， 采用知识经验优化法， 即本文前述刚度控制值控制下的 “评价- 再设计” 模 式的反复设计、“满意” 方案选择和减小板厚、 梁高， 以达到减轻重量、降低成本，提高效益之目的。另 一种是采用非线性复合形法优化计算方法， 这种方 法曾在起重机桥架箱形结构优化设计中采用， 并经 十多年使用证明是精确可靠的。 方法1 在小车架钢结构件满足刚度控制值 （1 0 0 0 - 1 1 0 0 [ A 3 - A 5 ] 或1 2 0 0 - 1 3 2 0 [ A 6 - A 8 ] ） , 通过对刚 度、强度、端部剪应力的设计、校核计算。将反复 设计、方案选择与优化设计紧密结合，以期达到目 标成本控制下的用户满意的最佳设计方案。 刚度控 制值是由设计规范、 专家系统或者实际经验来确定 。下面是刚度控制值控制下的“评价- 再 设计” 模式的反复设计、 “满意” 方案选择和减小板 厚、梁高，以达到减轻重量、降低成本，提高效益 之过程和步骤。 方法2 对上滑轮梁， 端梁（箱形梁结构） 的截 面采用复合型法优化程序分别进行优化计算。 对于 工字梁结构，设腹板间距为零的情况下，可按此法 比照运算。 调用格式 图 3 上滑轮梁刚度太大，说明需要优化 图 5 端梁刚度太大，说明也需要优化 图 4 修改上滑轮梁截面设计变量值 【2 4 】第 2 6 卷第 1 期2 0 0 4 - 0 1 制造业自动化 图 6 修改端梁截面设计变量值 c a l l f h y h L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L s , L x , H , c 1 , c 3 , d e , c 2 , L ● 形式参数说明 L 1 腹板1 厚 L 2 腹板2 厚 L 3 上盖板厚 L 4 下盖板厚 L s 上盖板宽 L x 下盖板宽 H 梁高 c 1 满载挠度与惯性矩之乘积 c 2 应力 c 3 最大弯矩 d e 刚度控制值L 跨度 ● 上滑轮梁优化子程序实际参数说明 F H Y H T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , B S , B X , S H , C 1 , C 3 , D E , C 2 , K ） C 1 F B L S* I x s C 2 应力[ S G M L , S G M 2 ] C 3 弯矩M S D E 刚度控制值K 小车轨距 ● 端梁优化子程序实际参数说明 F H Y H T 5 , T 6 , T 7 , T 8 , B D S , B D X , D H , C 1 , C 3 , D E , C 2 , W ） C 1 F B L D* I x DC 2 应力[ S G M L , S G M 2 ] 盖板宽和梁高的增量值A P 图 8 各项优化结果显示 ② 结果显示、存储和打印计算书 ③ 结束 6 两种小车架例题验算结果对比分析 通过对A 1 3 3 9 . 3 1 . 1 0 . 0 0 遂宁 和A 1 3 2 4 . 3 1 . 1 0 . 0 0（福建棉花） 两台桥式起重机产品小车架例题 的校核验算， 反映出两台产品小车架的设计质量情 况是刚度普遍太大，设计保守，优化设计大有用武 之地。通过该项科研课题的优化设计, 将上滑轮梁 和端梁截面的板厚变薄, 使得小车架的重量变轻, 目 标成本降低。我们仅从重量这一项，就充分说明了 优化设计的重要性和紧迫性，以及它与经济效益、 社会效益密切相关的特性。例如在满足刚度和其 他要求的情况下，A 1 3 3 9 . 3 1 . 1 0 . 0 0 遂宁 小车架 重量从1 1 6 1 4 . 9 k g 降至7 1 2 7 . 4 k g ； A 1 3 2 4 . 3 1 . 1 0 . 0 0（福建棉花） 小车架重量从3 5 5 8 7 . 6 k g 降至2 5 7 7 1 . 1 k g 。 目标成本各自分别降低了3 8 . 6 和2 7 . 5 8 。 显 而易见, 经济效益将会大幅提升。 参考文献 [ 1 ] 起重机设计规范 G B 3 8 1 1 - 8 3 [ S ] . [ 2 ] 王首成, 王民利. 普通桥式起重机桥架 C A D [ Z ] . 技术资料. [ 3 ] 何献忠, 刘玉桐, 金小海. 优化技术及其应用[ Z ] . [ 4 ] 孙靖民, 米成秋. 机械结构优化设计[ Z ] . [ 5 ] 潘兆庆, 周济. 现代设计方法概论[ Z ] . C 3 弯矩M D [ M C Z ，M S P ] D E 刚度控制值W 小车基距 ① 进入优化程序后, 将提示显示c 1 , c 3 , d e , c 2 , s 之值, 提示输入腹板1 ，2 厚、上下盖板厚、上下 图 4 输入优化增量值