电动葫芦门式起重机动力学结构优化设计

为正确地反应起重机的工作性能，本次建 模决定采用shell63和soild45两种单元， shell63是一种平面单元，该单元每个节点 有6个自由度，既有弯曲能力，又有膜力， 可承受平面载荷和法向载荷。Soild45是一 种实体单元，每个单元由8个节点组成，每 个节点有xyz三个方向自由度，能够承受塑 性，大变形和大应变的特征。起重机的主 梁和支架部分采用的是shell63单元，起重 机地梁决定采用soild45单元。对有限元模 型进行网格划分，已划分为16 562个单元 16635个节点。构建的起重机有限元模型如 图2所示。
．2．2 谐响应分析
谐响应分析主要用于确定起重机结构在承受随时问按正弦规律 变化的载荷时的稳态响应。谐相应分析可计算出结构在几种频率 作用下的响应值对频率的曲线，从而，预测结构的持续动力的特 性，验证是否能克服共振，疲劳等由振动引起的有害结果。偕相 应的分析结果如图5所示。 通过模态分析和谐响应分析图，可得出起重机的上下共振频 率主要出现在4～6 Hz和12 Hz左右，由于高阶频率对起重机的 影响较小，故这里只考虑低阶频率。由模态分析得知第五阶频率 主要是上下震动的固有频率，也处于4～6 Hz之间，故将第五阶 频率作为本次优化设计的目标之一。
1．2 起重机载荷分析
起重机的工作环境复杂，受到的载荷种类较多，且变化很大。 故在对起重进行载荷分析时只对起重机受到的几种较典型的载荷 进行分析。通过分析，主要考虑以下几种基本载荷(自重载荷、起 重载荷，水平运动惯性力)和附加载荷(风载荷)等 1．2．1 自重载荷 起重机的自重载荷主要包括起重机主梁自重、电动葫芦自重、支 架自重、地梁自重、操作室自重及起重机上其他设备的自重。考 虑到起重机工作时受到的冲击，在计算自重载荷时要将自重载荷 乘以一定的冲击系数，此处的冲击系数取值为1．25。
3 起重机优化设计
3．1 设计变量 设计变量的确定实质上是结构参数化的过程本次优化 设计的主要参数：上翼缘板厚度T1 ，中间翼缘板厚度 T2， 加强筋厚度T3 ，下斜翼缘板厚度 T4，下翼缘板厚度 T5， 工字型钢端板厚度T6 ，工字型钢中间板厚度T7，中间翼 缘板宽度H11，加强筋板宽度W4。
3．2 约束条件 约束条件即状态变量，本次的约束条件主要包括静强度 约束条件、静刚度约束条件、动位移约束条件、 动刚度约束条件和约束条件上下式。 3．2．1 静强度约束条件 静强度约束条件是指静强度的设计准则为结构中产生的 最大应力不大于结构材料的许用应力[σ]，故提取电动葫芦位 于中间位置处的最大应力σLmax 和左右悬臂梁处的最大应力 σlmax ，分别给予约束：
以电动葫芦门式起重机结构为例，基于 ANSYS软件建立起重机的整机模型，对起重机进行 结构分析和优化设计，同时考虑起重机的静态、 模态和谐相应等工作性能，从而全面的反应起重 的整机性能。同时，使用 APDL 语言进行起重机参 数化建模，加载，结构分析和优化设计。通过这 套程序，将大大的缩短同类型不同尺寸的起重机 的开发周期，为起重机的结构设计分析提供了一 种新的设汁方法。
电动葫芦门式起重机动力学 结构优化设计
摘要
采用ANSYS软件的二次开发语言，建立了门式起重 机的有限元模型，对其模型进行静态和动态分析，导到 起重机的变形、应力强度和模态固有频率。以起重机整 体结构为研究对象，以起重机整体质量最小和起重机的 漠态固有频率在满足条件的情况下最大为优化目标，对 起重机的结构参数进行优化设计。优化结果表明，在满 足约氧条件的情况下，起重机的整体质量可以降低21．6 ％ ，模态固有频率也能够满足起重机要求，降低了起重 机的制造 l；5 本，改善了起重机工作性能。 关键词：起重机；有限元模型；模态；优化设计
图1
1．1．2 基本参数
本次起重机的主要材料决定采用Q345钢，通过参阅 相关文献得到Q345材料主要参数为弹性模量Ex =206 GMP，泊松比 Vxy=0．3，密度DENS=7．85 g／cm^3。 起重机起重主要额定重量Q=12 t，电动葫芦重量200 kg。 起重机尺寸主要参数如表1所列
0 引言
起重机是在复杂情况下的一种大型运输机械，其 本身的结构特性和动态特性都对使用性能有很大 的影响。长期以来，起重机的设计依靠人工设计 和传统经验等方法。这种方法具有很大的局限性。 人们往往只考虑了起重机静态时的工作载荷，而 动态工作载荷常常将其转化为静态工作载荷来考 虑 近些年来，人们开始考虑使用计算机软件对起 重机进行优化设计，但还没有充分地考虑起重机 的动态工作载荷。
2．2 起重机动态分析
2．2．1 模态分析
通过对起重机模态分析，现得到起重机的前6阶振动频 率如表2所列。
第1阶频率主要反映起重机在横向方向的振动，此振 动可能有起重机的启动，制动等引起，第2阶频率主要 反映起重机的纵向方向的振动，此振动可能由电动葫 芦的启动和制动时引起，第3阶，第4阶主要反映了横 向振动的固有频率，第5阶反映了起重机的上下振动的 固有频率，第6阶频率反映了起重机的横向振动的固有 频率。
现将以起重机的整体质量为目标函数的优化结果数据带人 程序重新进行计算，计算后得到的起重机的最大变形和最大 应力分别如图6、7所示。
结果表明，以起重机的整体质量为目标函数对起重机进 行结构优化设计后，起重机的最大变形为0．013 m，最大应 力为156 MPa，均能够满足起重机的强度和刚度要求，但起重 机的整体质量减少了21．6％。现将以起重机的第5阶频率为 目标函数的优化结果数据带入程序重新计算，计算后得到的起 重机的第5阶频率如图8所示。 结果表明，以起重机的第5阶频率为目标函数对起重机进 行结构优化设计后，起重机的第5阶频率由原来的4．856 Hz 变为了4．577 Hz，比原来减小了0．279 Hz。
1、模型建立与加载分析
1.1模型结构与基本参数 1.1.1 模型结构 本次起重机模型采用的是某起重机有限责任公 司的MH型电动葫芦门式起重机。整个起重机部分 包括主梁，支架和地梁三大部分。其中，起重机的 主梁部分采用的是箱型主梁结构，起重机支架部又 分为左、右两部分支架，左支架为分叉结构， 支架 要承受起重机操作室的重量。其重要结构图如图1。
fs≥2
（ 9）
3．2．5 约束条件上下式 设定设计变量胡上下式约束为：
3．3 目标函数 优化目标函数分别采用起重机的整体质量最小为目 标和电动葫芦位于跨中位置时的起 宦机上下自震频率最 低为目标。所以目标函数分别为：
3．4 优化结果
根据上述模型，利用ANSYS有限元软件的优化模块进行 优化。优化后的结果是一组离散的数据。其优化前后的各设计 变量如表4、5所列。
1．2．2 起升载荷 起升载荷主要是指起升质量的重力，其包括起重量，吊具和 钢丝绳等的重量。在计算起重载荷时，要考虑由于起升和制动 等对起重机工作性能的影响，所以也要将起升载荷乘以一定的 动载荷系数，此处的动载荷系数取值为1．2。 1．2．3 水平运动惯性力 起重机在水平方向运动时，考虑到水平方向的加速，制动 等对起重机工作性能造成的影响，所以，还需要考虑水平运动 惯性力，即： PH= Ψ5ma (1) 式中：a为启动、制动加速度； Ψ5为系数，通常取值1≤ Ψ5≤2， 本文取值为1．5。
σLmax≤ [σ]
（2）
σlmax ≤ [σ]
（3）
3．2．2 静刚度约束条件
根据《起重机设计规范》中的规定，提取起重机中的 状态变量给予以下约束，约束：
YL ≤ L/800 Yl≤ l/350
(4)
(5)
(6) (7)
uL≤6 mm ul≤6 mm
式中： YL 为跨中垂直静挠度； Yl 为有效悬臂端垂直 静挠度; uL为跨中节点水平位移； ul 为有效悬臂出节点水 平位移。
1．2．4 附加载荷 门式起重机主要是露天作业，考虑到起重机在露天 环境下可能会受到风作用等，所以，还将考虑一定作 用的风载荷，本文将风载荷分为工作状态风载荷和非 工作状态风载荷两种。 1．2．5 约束条件 考虑起重机运行机构的约束条件，对起重机地梁下 端进行自由度约束，得到龙门起重机的受力模型。
4. 结语
通过有限元软件优化方法，以电动葫芦门式起重机为 研究对象，以起重机的整机质量和固有频率为优化目标，以 起重机的强度，刚度和动位移等为约束条件，建立了起重机 的优化设计模型，对起重机进行了优化设计。结果表明，该 方法能够有效地减轻起重机的质量和改变起重机的模态固有 频率，为起重机的优化设计提供了一个较好的优化设计方法。
2 起重机受力分析
2．1 起重机静态受力分析 对起重机进行静态受力计算，分析结果进行后处理，分别得 到起重机受力后的最大变形和最大应力如图3、4所示。
通过分析可知，最大变形出现在起重机的中间 位置，最大变形值为0．023 m，最大应力值出现 在分叉支架有效悬臂梁处，最大应力值为123 MPa。其最大变形和最大变形应力均小于许用挠 度和许用应力，且有一定的富余，所以有很大的 优化设计空间。
3．2．3 动位移约束条件
限制龙门起重机动位移的最大值与起重机静 位移的最大值相同，故应提取瞬态动力学分 析．厅中跨中节点的最大位移δd 进行约束，即： δd≤L/800 (8)
3．2．4 动刚度约束条件
根据《起重机设计手册》，电动葫芦门位于 起重机跨中位置时，起重机的上下自震频率 fs立 该大于2Hz，但是起重机的模态频率应该在满足 要求的情况下越小越好。