李甜田　楊曉杰　曹輝　溫悅

【摘 要】隨著社會(huì)的發(fā)展，動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在龍門起重結(jié)構(gòu)的應(yīng)用十分重要。其不僅能夠讓整體的設(shè)計(jì)效率得到相應(yīng)的提升，還能讓起重結(jié)構(gòu)體系得到相應(yīng)的優(yōu)化。論文主要針對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在龍門起重機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

【Abstract】With the development of the society， the application of dynamic optimization design in gantry crane structure is very important. It not only can improve the overall design efficiency， but also can optimize the lifting structure system. This paper mainly analyzes the dynamic optimization design for gantry crane structure， and puts forward corresponding optimization measures.

【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)； 龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)； 分析

【Keywords】dynamic optimization design； gantry crane structure； analysis

【中圖分類號(hào)】TH213. 5；TG65 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0152-02

1 引言

從目前所使用的大多數(shù)起重機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)看，一般都采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)——?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方式在一定程度上加強(qiáng)了起重機(jī)使用的安全性，并在起重機(jī)滿足基本使用性能的基礎(chǔ)上，使設(shè)計(jì)的過(guò)程也得到了進(jìn)一步地簡(jiǎn)化。但是這種設(shè)計(jì)方法也有一個(gè)很大的缺陷，就是在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，沒有進(jìn)行動(dòng)態(tài)性分析，從而使得起重機(jī)在進(jìn)行實(shí)際使用的過(guò)程中，很難對(duì)其相應(yīng)的穩(wěn)定性進(jìn)行有效控制。

2 動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容

2.1 動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在龍門起重機(jī)中的特性

一般在港口所使用到的龍門起重機(jī)中，大多數(shù)起重機(jī)的安全狀況并不夠穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)一定的檢測(cè)，我們可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)起重機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，可以非常明顯地看到其中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，而且運(yùn)行的狀態(tài)十分不穩(wěn)定，存在著非常大的安全隱患。由此可見，其中可能存在著動(dòng)態(tài)性的問題。[1]但是這一問題從現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)看，想要得到非常有效的改善，在進(jìn)行實(shí)際操作的過(guò)程中，有著很大的難度。

對(duì)于龍門起重機(jī)而言，方向的剛度控制問題比較難以解決，而且，針對(duì)這一方面的問題，也沒有一個(gè)完善的規(guī)定。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也需要將其振動(dòng)頻率控制在一個(gè)比較固定的范圍，從而計(jì)算出相應(yīng)的頻率值。如果在進(jìn)行實(shí)際計(jì)算的過(guò)程中，得出的頻率值比較低，那么就意味著起重機(jī)在水平方向的動(dòng)剛度不足，需要采取一定的措施，來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步地加強(qiáng)。但是在當(dāng)前沒有明確而完善的規(guī)定的情況下，就需要相應(yīng)的技術(shù)人員能夠在經(jīng)驗(yàn)足夠的情況下，根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2.2 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

①系統(tǒng)中暫態(tài)響應(yīng)變化為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的變化，是隨著時(shí)間的推移而發(fā)生改變的，這是一個(gè)振幅衰減的運(yùn)動(dòng)。所以為了能夠讓動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)體系的受力更加均衡，需要對(duì)其約束力進(jìn)行綜合性的計(jì)算。在進(jìn)行約束條件的基礎(chǔ)計(jì)算過(guò)程中，其需要結(jié)合整體的數(shù)據(jù)情況，對(duì)其進(jìn)行綜合性的數(shù)據(jù)分析。

靜強(qiáng)度約束條件：靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的最大應(yīng)力 σmax 不大于結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力[σ]，故提取龍門起重機(jī)小車位于跨中時(shí)的最大等效應(yīng)力值 σLmax 和小車位于有效懸臂端的最大等效應(yīng)力值 σlmax ，并分別給予約束，約束函數(shù) g1（X）和g2（X）為：

g1（X）=σLmax≤[σ] g2（X）=σlmax≤[σ]

②還可以利用加速度的變化來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。在起重機(jī)工作的過(guò)程中，其中的加速度也在不斷變化，可以利用其加速度的峰值，對(duì)起重機(jī)所吊的物體離開地面最大的動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算。如果計(jì)算得出的值在起重機(jī)所能夠承受最大力的范圍之外，就可以說(shuō)明起重機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不能夠滿足相關(guān)要求，需要針對(duì)其采取一定的措施，進(jìn)行一定的改善。[2]

③龍門起重機(jī)的設(shè)計(jì)比一般的橋式起重機(jī)是有所不同的，龍門起重機(jī)更加注重穩(wěn)定性。而且，在進(jìn)行起升的過(guò)程中，所發(fā)生的振動(dòng)也比較強(qiáng)烈，使動(dòng)態(tài)衰減時(shí)間得到了一定的延長(zhǎng)，從而影響工作的質(zhì)量。其龍門起重機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

從圖中我們能夠清晰地看到，其主要由主梁、柔性支腿、剛性支腿、上橫梁、下橫梁結(jié)構(gòu)組成。在進(jìn)行起重的過(guò)程中，其底部支柱會(huì)承載較大的負(fù)荷。為提高龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，利用有限元分析軟件ANSYS 優(yōu)化算法中的最優(yōu)梯度法進(jìn)行靈敏度分析。通過(guò)靈敏度分析尋找出對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響大的設(shè)計(jì)變量，忽略影響小的變量，以提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)的分析

3.1 基于動(dòng)態(tài)分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1 原因分析

①主梁剛度較弱是結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中的最主要原因，當(dāng)大車、小車運(yùn)行或起制動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整機(jī)沿大車和小車軌道方向劇烈振動(dòng)。②造成整機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性變差的主要原因是動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，起升時(shí)的速度偏大，這樣導(dǎo)致滿載起吊瞬間激振力過(guò)大。③起重機(jī)的其他結(jié)構(gòu)，例如：橫梁、支腿等的綜合剛度也會(huì)對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生一定的影響，同樣這也是造成該問題的原因之一。

3.1.2 提出優(yōu)化改造方案

針對(duì)上述產(chǎn)生的具體原因，可以考慮對(duì)起重機(jī)的主梁以及其他部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行略微的改進(jìn)，這樣能夠使得起升速度降低，并將系統(tǒng)的動(dòng)剛度提高，最終能夠使得整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能得到改善。龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)一般采用雙梁箱形截面，截面尺寸決定了主梁的結(jié)構(gòu)剛度，基于該文獻(xiàn)的整體研究成果，可以針對(duì)龍門起重機(jī)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析，Ansys具有目標(biāo)性的優(yōu)化功能，以動(dòng)剛度即震動(dòng)頻率作為目標(biāo)，優(yōu)化變量的數(shù)據(jù)要做好較為明確的分析，從而讓數(shù)據(jù)的處理效果更加顯著。在進(jìn)行整體的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，其需要對(duì)各尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)性的優(yōu)化。部分結(jié)構(gòu)的參數(shù)得到了明顯的改進(jìn)，這同樣也為起重機(jī)的優(yōu)化改造提供了重要依據(jù)。[3]為了將吊重起升瞬間動(dòng)態(tài)的衰減時(shí)間縮短，保證起重機(jī)具有較高的作業(yè)效率，在進(jìn)行優(yōu)化改造后，還要對(duì)其設(shè)計(jì)的變量值進(jìn)行試驗(yàn)分析。從而使得整體的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。同時(shí)在結(jié)構(gòu)體系方面，其需要采用多種不同的方式使得龍門結(jié)構(gòu)起重的效率得到顯著性的提升。根據(jù)其起重系統(tǒng)的變化情況以及信息系統(tǒng)的局部變化進(jìn)行綜合體系的分析，最終使得龍門起重的體系結(jié)構(gòu)更加合理。

3.2 檢驗(yàn)優(yōu)化方案

利用Ansys可以對(duì)進(jìn)行同等改造后的龍門起重機(jī)的模態(tài)與起升動(dòng)載響應(yīng)分析在改造之后的龍門起重機(jī)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能都能夠使基本規(guī)范要求得到滿足。同時(shí)，還要對(duì)數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)分析，讓起重機(jī)的結(jié)構(gòu)體系能夠得到較為明顯的數(shù)據(jù)優(yōu)化。從而讓檢驗(yàn)的方案更加科學(xué)合理。在進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的方案模擬過(guò)程中，其同樣需要對(duì)龍門起重機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性的匯總，讓起重機(jī)的各種變化形態(tài)都能得到較為及時(shí)的變化以及分析。[4]從而讓整體的檢驗(yàn)方案更加合理。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)的分析十分重要，其能夠讓龍門起重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其需要采用多種不同的形式讓起重的效率得到提升。與此同時(shí)，在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)程中，其需要對(duì)龍門起重的特性進(jìn)行全方位的把握。然后，對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行整體的數(shù)據(jù)分析。并對(duì)起重方案進(jìn)行整體的檢驗(yàn)。最終讓動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)能夠符合龍門起重的要求。

【參考文獻(xiàn)】

【1】呂軍福.龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2015.

【2】龔達(dá)樂.龍門起重機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)建模開發(fā)[D].北京：北京化工大學(xué)， 2013.

【3】阮琪.600噸格構(gòu)式雙小車龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析[D].哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

【4】孫守勝.龍門起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.