【摘 要】節(jié)能環(huán)保是世界各國可持續(xù)發(fā)展的一個重要議題，開展起重機的節(jié)能設計和研究對促進綠色低碳經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。起重裝備輕量化是當前起重行業(yè)的發(fā)展趨勢，也是節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略的具體實施。起重機輕量化設計具有重要的現(xiàn)實意義，而金屬結構的輕量化設計又是其中非常重要的部分。實現(xiàn)了金屬結構的輕量化設計才能真正實現(xiàn)提效節(jié)能的目的。本文就此以橋式起重機為例探究了金屬結構的輕量化設計。

【關鍵詞】橋式起重機；金屬結構；輕量化設計

一、前言

隨著科學技術的快速發(fā)展，我國在起重機金屬結構的設計上，得到了新的突破。我國經(jīng)濟要快速發(fā)展，離不開起重機，起重機作為物料運輸、工業(yè)安裝的主要設備，必須實現(xiàn)金屬結構輕量化，才可提高工作效率。

二、起重機輕量化設計意義分析

實現(xiàn)起重機結構輕量化，主要有3個原因，首先是社會發(fā)展的需要。近年來，我國在起重機設計上取得了很大的進步，因此，出口的起重機越來越多，從整個市場的形式來看，國內外對起重機的需求量都有所增加，倍加重視起重機的技術研究，同樣，我國在起重機輕量化上，國家也給予高度重視。其次，我國所研制出的起重機，雖然在各方面都取得了相當大的進步，但是與國外一些發(fā)達國家所研制的輕重機相比，依然存在一定的差距，我國的起重機整體自重都比較大，例如，在跨度為22.5米，起重量為10噸的雙梁橋式起重機，其自重就高達24噸，而德國所研制的德馬格起重機自重僅僅只有8.7噸，起重量高達32噸，再例如，科尼雙梁橋式起重機，其整套機子的自重為17.9噸，而我國所研制的起重機重量高達33.8噸，兩者相比較，我國的起重機質量幾乎是科尼雙梁橋式起重機質量的1.5倍。由此看來，我國進行起重機金屬結構輕量化工作勢在必行。最后，隨著環(huán)境污染越加嚴重，人們的環(huán)保意識不斷增加，都紛紛號召合理利用資源，走低碳路線。起重機所采用的是金屬結構，每臺起重機的金屬質量，是整個起重機質量的50%之多，若是巨型起重機，則90%都是采用金屬制成，可見，起重機的研制，需要大量的金屬，而是實現(xiàn)金屬結構輕量化，則可大降低金屬的使用量，同時還可降低造價。實現(xiàn)輕量化設計是實現(xiàn)資源優(yōu)化配置、降低制造成本的有效途徑，因此，我國需要重點發(fā)展輕量化起重機。

三、橋式起重機金屬結構的輕量化設計

（一）橋式起重機結構設計方法

要實現(xiàn)橋式起重機金屬結構輕量化，關鍵是靈活使用結構設計優(yōu)化方法，常用的結構優(yōu)化方法有：拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化。所謂的拓撲優(yōu)化，指的就是在規(guī)定的范圍內，選出最適合的材料，以及最合適的形狀，進行優(yōu)化設計，一般情況下，是根據(jù)所給的區(qū)域進行全面分析，然后進行離散形成一個網(wǎng)格單元，再通過優(yōu)化標準，進行單元的篩選工作，最后獲取最理想的結構。形狀優(yōu)化則是在模型基礎上，對細節(jié)進行改進，達到優(yōu)化的目的。例如，對HyperMorph模塊做改進，采用移動控制柄的方法，對形狀做進一步的更改，使其形狀優(yōu)化。形貌優(yōu)化指的就是，在尋找一種科學的形狀優(yōu)化方法，往往是對板件結構進行分析，從中找出適合的肋分布。形貌優(yōu)化與拓撲優(yōu)化相互比較，形貌優(yōu)化的特點就是不對材料進行刪減，只是在所指定的區(qū)域范圍里，結合載荷的分布情況，以及節(jié)點部位的擾動生成加強肋，達到增加結構穩(wěn)定性的目的。而尺寸優(yōu)化指的就是，已經(jīng)給予模型，在模型的基礎上做細節(jié)優(yōu)化，一般情況下，多是對單元屬性做改動，例如，改變梁單元截面尺寸大小、改變殼單元厚度大小以及改變彈簧單元剛度大小等，從而得出理想的尺寸。

橋式起重機金屬機構輕量化設計中，常用的方法有拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化以及尺寸優(yōu)化，每一種方法都具有其特點，選用時，要結合實際情況，選擇適合的方法，從而達到輕量化設計的標準。

（二）各種優(yōu)化技術分析

選擇形狀優(yōu)化時，主要是把總體積實現(xiàn)最小化，然后將其設為目標函數(shù)，該設計中，把高度、寬度這兩者作為變量，同時存在一系列的約束條件，就是應變能、應力等，結合這幾者，制定出一個數(shù)學優(yōu)化模型，通過主要優(yōu)化之后，主梁的質量大大降低。尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化存在一定的差異，其目標函數(shù)是最小體積，同樣將變能、應力等作為約束，但是該優(yōu)化方案將板的厚度設為變量，優(yōu)化之后的Q235主梁總質量可減少至6.9%。將體積分數(shù)最小視作目標函數(shù)的，則是拓撲優(yōu)化方案，該方案的約束條件與以上兩個方案沒差別，只是將變量改為主梁的腹板、筋板的材料以及下蓋板等，從而制定出一個優(yōu)化模式，經(jīng)過優(yōu)化之后的Q235主梁質量獎減少至7.9%。綜合優(yōu)化與以上優(yōu)化方案存在很大的差異，其是根據(jù)形狀優(yōu)化之后所得的結果，建立起一個新的建模，然后進行尺寸的優(yōu)化，經(jīng)過這樣優(yōu)化之后的Q235主梁質量，可低達17.3噸，整整減少了8.5%。板厚變截面優(yōu)化設計，該優(yōu)化設計方案主要是把上下蓋板、腹板以及筋板視作變量值，然后對其進行優(yōu)化，Q235經(jīng)過優(yōu)化之后，總質量大大降低，降低至17.2噸。最后，對魚腹梁變截面優(yōu)化設計進行分析，該優(yōu)化設計方案，主要針對的是腹板下方的曲線，對其進行優(yōu)化，把主梁優(yōu)化成為強度一直的主梁，這就要求先設置一個形狀變量，這些變量綜合起來成為腹板下部曲線，通過優(yōu)化之后，Q235主梁質量為18.0噸，至少減少了4%。

每種優(yōu)化方案都可達到降低主梁質量的目的，選擇優(yōu)化方案時，要結合實際情況進行選取，這樣不但可實現(xiàn)起重機金屬結構輕量化，更重要的是可提高起重機的使用率。

四、結束語

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，起重機的使用量越來越大，但是，我國起重機與國外起重機在性能等方面相比存在一定的差距，因此，需要進行起重機金屬結構質量輕量化，環(huán)保節(jié)能的同時，更可促進經(jīng)濟發(fā)展。

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