鐘瓊慧（蕉嶺縣水利水電勘測設(shè)計(jì)室,廣東 蕉嶺 514100）

門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

鐘瓊慧
（蕉嶺縣水利水電勘測設(shè)計(jì)室,廣東 蕉嶺 514100）

摘 要：起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)作為其自身的骨架，對(duì)整個(gè)起重機(jī)質(zhì)量和使用性能起著決定性的作用，引起了人們的重視。本文將對(duì)門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究，針對(duì)門式起重機(jī)在金屬結(jié)構(gòu)方面存在的笨重等問題，提出科學(xué)合理的研究思路，希望可以為設(shè)計(jì)人員優(yōu)化門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考建議，以促進(jìn)門式起重機(jī)向工作效率高、整機(jī)質(zhì)量輕和生產(chǎn)成本低的方向發(fā)展，更好的滿足使用者的需求。

關(guān)鍵詞：門式起重機(jī)；金屬結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

改革開放以來，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和我國現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提高，門式起重機(jī)作為一個(gè)重要的生產(chǎn)工具被廣泛運(yùn)用在了國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大的推動(dòng)作用，受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。并且隨著對(duì)外開放的不斷發(fā)展，機(jī)電行業(yè)也對(duì)門式起重機(jī)的質(zhì)量和數(shù)量提出更多的要求。如何有效的降低金屬結(jié)構(gòu)的重量和起重機(jī)的輪壓，成為門式起重機(jī)設(shè)計(jì)人員共同需要解決的問題，因此，加強(qiáng)對(duì)門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究勢在必行。

1 門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型

1.1 有限元單元法綜述

有限元單元法是一種專門分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)和問題的工具，也是在變分原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)將連續(xù)的結(jié)構(gòu)分化成多個(gè)離散單元來計(jì)算近似值的一種分析方法。在分析門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)問題時(shí)運(yùn)用有限元單元法，可以不需過多的簡化模型，計(jì)算結(jié)果的精確度也比較高[1]。

1.2 門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)建模策略

門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)的主要包括主梁、底梁、端梁、支腿等部件，并且各個(gè)部件一般都是由螺栓進(jìn)行連接的，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在運(yùn)用有限元單元法對(duì)門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，必須要建立一個(gè)好的計(jì)算模型，只有這樣才能保障分析結(jié)果準(zhǔn)確無誤。

（1）幾何建模方案分析。要想提高計(jì)算的精確度，就必須要選擇一個(gè)科學(xué)合理的金屬結(jié)構(gòu)幾何建模方案?？茖W(xué)合理的建模方案必須要在降低計(jì)算量、滿足計(jì)算精確度的前提下，使計(jì)算結(jié)果清晰明了，方便提取。目前，使用三維軟件建立三維幾何模型非常方便快捷，但是由于門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，相應(yīng)的對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求就比較高，所以通常在建模之后，還需要再導(dǎo)入有限元軟件，這樣不僅會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，還有可能沒辦法得到正確的結(jié)果，因此在構(gòu)建幾何模型時(shí)最好在有限元軟件中進(jìn)行[2]。

（2）材料的選擇。由于門式起重機(jī)在實(shí)際的工作中，吊重工作非常繁重，并且工作環(huán)境比較惡劣，因此在選擇金屬結(jié)構(gòu)的材料時(shí)要考慮其強(qiáng)度、防腐性、塑性等方面的問題。目前門式起重機(jī)比較常用的材料是普通的碳素鋼，這是因?yàn)樘妓劁摴に囆暂^好、價(jià)格也比較低廉。

2 門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)函數(shù)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要得到我們所期望的目標(biāo)，就必須滿足多種約束條件，計(jì)算出最合適的解。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)就是用設(shè)計(jì)變量的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表示的我們所期望的目標(biāo)。在實(shí)際的門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，目標(biāo)函數(shù)一般都是重量，當(dāng)然也可以根據(jù)不同的需求將成本、體積等作為目標(biāo)函數(shù)。

2.2 荷載及組合

門式起重機(jī)主要在露天工作,它的主要荷載包括慣性荷載、風(fēng)荷載、自重荷載、起升荷載和側(cè)向荷載，如果要計(jì)算主梁內(nèi)力，那么門架將受到所有因素的影響。

2.3 設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量是需要進(jìn)行優(yōu)化的獨(dú)立參數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容的不同選擇相應(yīng)的物理參數(shù)或者是幾何參數(shù)，這些參數(shù)可以用一組向量來表示。

2.4 約束條件

在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和工況下，門式起重機(jī)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度都屬于約束條件，其中需要具體考慮的約束條件包括靜剛度、靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、動(dòng)剛度、支腿的穩(wěn)定性、板的穩(wěn)定性、不同荷載的整機(jī)穩(wěn)定性和不同方向的整機(jī)傾復(fù)穩(wěn)定性等。另外，設(shè)計(jì)變量的幾何條件也屬于約束條件，它是由變量的邊界條件和變量之間的約束條件這兩部分來構(gòu)成的。變量的邊界條件不僅考慮到了門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)實(shí)際的限制因素，而且還考慮到了工藝要求等因素，例如，在實(shí)際的工程中，由于門式起重機(jī)一般都是在露天工作，比較容易發(fā)生門機(jī)被銹蝕的情況，因此，為了避免這種情況，在進(jìn)行門機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，面板的厚度都不能小于6mm，這就是變量板厚的下限，即下限值只能取6，而不可以再??；對(duì)于變量之間的約束條件，我們可以通過一個(gè)例子來說明：如果我們需要矩形截面的高度總是大于其寬度，盡管矩形的高度的上、下限大于寬度的上、下限，但也有可能計(jì)算出高度小于寬度的情況，在這時(shí)，我們就可以加上高度大于寬度這個(gè)約束條件，這樣就避免了時(shí)間的浪費(fèi)[3]。

2.5 優(yōu)化方法

由于門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，在加上長期在露天工作，金屬結(jié)構(gòu)要承受的壓力較大，這就要求金屬結(jié)構(gòu)必須要有可靠的穩(wěn)定性、剛度和強(qiáng)度，因此門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)變量非常多，我們就需要用混合離散變量，利用結(jié)構(gòu)模塊化的設(shè)計(jì)原則，通過BΑSIC程序語言來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這一方式為優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。

3 結(jié)語

門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)工作都是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，加強(qiáng)對(duì)這兩個(gè)方面的研究，是門式起重機(jī)提高自身使用性能的內(nèi)在要求，也是機(jī)電行業(yè)健康發(fā)展的必然要求。我們通過上文對(duì)門式金屬結(jié)構(gòu)的分析和研究，可以知道，利用有限元等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，能夠在提高門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)，達(dá)到減少起重機(jī)整體重量的目的。本文的研究可以為門式起重機(jī)以及同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴明宏,張君霞.U型門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)離散變量模糊優(yōu)化研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(03):146-149.

[2]韓成龍,綦耀光,徐曉東等.門式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].建筑機(jī)械（上半月）,2009(07):81-83,86.

[3]巫波.造船門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)局部屈曲分析[J].裝備制造技術(shù),2012,(07):216-217,230.

[4]洪正,王松雷.門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試及分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2012(06):81-83.

作者簡介：鐘瓊慧（1975-），女，廣東蕉嶺人，大專，工程師，研究方向：水利電氣工程技術(shù)。