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关于龙门起重机的相关分析

2011-06-04 04:16:48本站

  

  1建立龙门起重机结构的动力学模型

  动态优化设计是指在优化设计模型的目标或约束中包含结构的动力特性(如频率,振型)或动力响应(如动位移,动应力等)的优化设计问题.动态优化设计的目的是使结构具有良好的动态特性,以避免有害的共振或过度振动,降低振动水平,提高动稳定性。

  结构动态优化设计的主要内容包括如下两个方面:1)建立一个切合实际的结构动力学模型;2)选择有效的结构动态优化设计方法。

  结构动态优化设计的方法可以归结为"逆问题"与"正问题"两大类研究方法.本文根据实际情况采用结构动态优化方法中的"逆问题"研究方法,对龙门起重机整机结构进行动态优化设计。

  1.1龙门起重机的基本结构和基本参数

  1.1.1龙门起重机的基本结构组成

  本文以某起重机有限公司MG32t-38m型龙门起重机为例进行分析,整个龙门起重机的基本结构,该结构主要由下横梁,刚性支腿,主梁,拱架结构,连接端梁和柔性支腿组成。

  1.1.2基本参数

  龙门起重机的基本参数如下:额定起重量Q= 32t;主梁起升高度H=11m;跨度L=38m;有效悬臂长度l=9m;工作级别为A6;小车质量m=11814kg;额定起升速度为9.2m/min;小车运行速度为43.3m/min;小车的最大轮压为156kN.

  1.2龙门起重机结构动力学模型的建立

  作用在龙门起重机上的载荷种类很多,且变化很大,故设计计算时选择与龙门起重机结构破坏形式有关的,具有典型性的载荷组合。经过分析本文主要考虑基本载荷(自重载荷,起升载荷和水平惯性载荷)和附加载荷(工作状态风载荷)的组合,即用于强度和稳定性计算的第II类载荷组合。

  1.2.1自重载荷PG

  自重载荷PG包括主梁,端梁,横梁,支腿,小车,楼梯,电器设备及其他安装在龙门起重机上的设备和构件的自重等。考虑到冲击因素对重力产生的附加动力作用,应将自重载荷乘以相应的冲击系数。

  2龙门起重机结构动态优化设计的研究

  本文以MG32t-38m型龙门起重机为例,以龙门起重机整机结构的总重量为动态优化设计的目标,运用有限元分析软件ANSYS对其整机结构进行动态优化设计,为龙门起重机设计提供一种重量较轻且静,动态性能良好的结构设计方法。

  2.1龙门起重机结构动态优化模型的建立

  2.1.1目标函数

  本文以其结构系统的总重量为动态优化设计的目标

  2.1.2设计变量

  设计变量的确定实质上是结构参数化的过程,本文研究的龙门起重机为箱型梁截面结构,其主要设计变量为各箱型梁及支腿的截面尺寸,故初步确定18个设计变量用于动态优化设计计算。

  2.2优化算法与优化准则

  优化算法是使目标函数在控制条件下达到最优值的方法。ANSYS主要提供两种类型的优化方法:零阶优化方法和一阶优化方法。

  1)零阶优化方法(直接法):是一种通用的函数逼进优化方法。该方法的本质是采用最小二乘逼近,求取一个函数面来拟合解空间,然后再对该函数面求极值。这种优化方法不容易陷入局部极值点,而且求解速度比较快,但优化精度一般不是很高,是最常用的方法,适用所有因变量(状态变量和目标函数)的逼近,可以有效地处理绝大多数工程问题。

  2)一阶优化方法(间接法):该方法使用偏导数,即使用因变量的一阶偏导数。此方法精度很高,尤其是在因变量变化很大,设计空间也相对较大时,但是,占用的机时较多。与零阶方法相比,一阶方法计算量大,结果精确,但是,精确度高并不能保证所得的结果就是最佳解.本文根据实际情况采用零阶优化方法对龙门起重机结构系统进行动态优化设计。首先选择Sub- Problem子问题法进行粗优化;然后,在子问题法优化的基础上,采用DVSweeps扫描法进行第二次优化。

  通过两次优化,完成对龙门起重机结构系统的动态优化设计。

  优化计算的过程是一个不断迭代的过程。首先必须确定一个合理的优化准则,以尽快收敛到所预定的优化目标。本设计的优化准则为:假设Fi,Xi和Fi-1,Xi-1分别为目标函数和设计变量第i次迭代和第i-1次迭代的结果(Xi为矢量),Fb和Xb分别是当前的最优目标函数和其相应的设计变量值。如果满足│Fi-Fi-1│≤τ1或者│Fi-Fb│≤τ1(τ1为目标函数的容差),则认为迭代收敛,于是迭代停止。假设│Xi -Xi-1│≤τ2或者│Xi-Xb│≤τ2(τ2为设计变量的容差),也认为设计变量的搜索已趋于收敛,于是迭代停止。在优化程序中,对设计变量,状态变量和目标函数都给出了容差限制。对于设计变量,默认容差为0.01×(上限-下限);对于目标函数,由于定义时不指定上,下限,默认容差为0.01×当前目标函数值;对于状态变量(如动态刚度约束条件中的自振频率f7),如果指定上,下限,默认容差为0.01×(上限-下限)。

  3基于ANSYS的龙门起重机结构动态优化设计的实现

  为提高龙门起重机结构动态优化设计的效率,利用有限元分析软件ANSYS优化算法中的最优梯度法进行灵敏度分析。通过灵敏度分析寻找出对结构设计影响大的设计变量,忽略影响小的变量,以提高优化设计效率。为此,先对之前初步确定的18个设计变量进行灵敏度分析计算。

  对灵敏度值(绝对值)较大的结构参数,取其作为设计变量;对灵敏度值较小的结构参数,则视具体情况决定其是否作为设计变量。根通过综合分析,将R7和R16这两个设计变量剔除,选取对系统总重量目标函数和系统动态特性影响较大的16个设计变量进行动态优化。

  根据龙门起重机结构系统的瞬态动力学分析,可得到货载离地时的冲击载荷放大系数(即动载荷系数)φ2=1.2579.本文将静态载荷乘以这一动载系数,并以集中力的方式施加在小车车轮与主梁接触位置上,基于上述动态优化模型,对龙门起重机结构系统进行动态优化设计。在保证整机最大应力,最大挠度,动位移和动刚度满足要求的条件下,对龙门起重机结构系统中箱形梁的高,宽以及其他结构件的板厚进行动态优化。

  在动态优化设计过程中,得到总重量目标函数在优化迭代分析过程中的数据(其中带*的为最优结果)。优化前整机结构总重量78282.4kg,优化后整机结构总重量为70794kg,故整机结构共减轻重量7488.4kg,比原来减少9.57%.

   4结语

  本文采用结构动态优化设计方法,以龙门起重机整体结构为研究对象,以整机总重量为动态优化设计的目标,以强度,刚度和动位移等作为约束条件,建立龙门起重机整机结构的动力学模型和动态优化的数学模型,对整机结构重量进行动态优化设计。该方法既有效地减轻了整机结构的重量,又保证了整机结构具有良好的静,动态性能,达到动态优化设计的目的。

  

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  2. 关于自升式塔式起重机的分析...

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