探究龍門起重機結構動態(tài)優(yōu)化設計

牛倩

摘 要：針對龍門起重機應用中存在的問題，比如結構振動劇烈問題、吊載運行穩(wěn)定性差問題，進行動態(tài)分析，探索龍門起重機作業(yè)過程中出現(xiàn)運行問題的原因，并且針對不同類型的起重機提出了相應的優(yōu)化改進方案。對龍門起重機結構動態(tài)設計進行優(yōu)化，以滿足整機重量最小需求，以及滿足模態(tài)固有頻率條件等，作為優(yōu)化目標，對其結構參數(shù)進行優(yōu)化設計。

關鍵詞：龍門起重機；結構參數(shù)；結構動態(tài)；優(yōu)化設計

起重機屬于大型運輸機械，能夠在復雜情況作業(yè)。其龍門起重機自身的結構特性以及動態(tài)特性等，對龍門起重機的使用性能，有著較大的影響。傳統(tǒng)的起重機結構設計，主要依靠人工設計，結合傳統(tǒng)經(jīng)驗等方法，具有較大的局限性。隨著起重機設計技術的發(fā)展，使得動態(tài)工作情況被人們重視與思考，并且對龍門起重機結構進行動態(tài)優(yōu)化設計。

1 龍門起重機結構概述

龍門起重機結構較為簡單，例如圖1，其為JQ50型號的龍門起重機結構示意圖。主要包括下橫梁與端梁、柔性支腿與剛性支腿、主梁與門框等?，F(xiàn)代龍門起重機，多采取靜態(tài)設計+動態(tài)補償設計的方法，除了考慮靜態(tài)時的工作載荷外，還考慮動態(tài)載荷，采取添加安全系數(shù)的方式進行補償，以此簡化結構動態(tài)設計，以此確保龍門起重機結構設計，能夠滿足靜強度與靜剛度的需求，但是因為缺乏動態(tài)特性分析，難以估計龍門起重機動態(tài)作業(yè)時的穩(wěn)定性，進而極易引發(fā)作業(yè)問題，包括整機結構振動強烈以及運行不穩(wěn)定等問題。龍門起重機的穩(wěn)定性與剛度，與其金屬結構的承受能力，有著直接的關系，進而使得動應力與動剛度等問題更加嚴重。當彎曲動剛度超出標準，則極易造成整機結構振動問題，而動應力超出標準，極易造成結構變形或者損傷問題。當跨中動移位超標時，則會造成整機結構失穩(wěn)。

2 龍門起重機結構動態(tài)分析

2.1 基于Ansys動態(tài)分析理論基礎

龍門起重機作業(yè)時的動態(tài)問題，其屬于有限個自由度彈性系統(tǒng)運動范疇。龍門起重機的模態(tài)分析，主要目的是明確龍門起重機結構的振動特性，包括固有頻率與振形，該數(shù)據(jù)信息可以在龍門起重機結構無阻尼自由振動條件下獲取。對龍門起重機起升動載響應進行研究，主要是研究危險工況下整機系統(tǒng)發(fā)生位移的規(guī)律，以及整機系統(tǒng)的速度與加速度變化規(guī)律。

2.2 動態(tài)分析中龍門起重機結構常見問題

基于Ansys的模態(tài)分析，則需要構建龍門起重機有限元模型，遵循平衡方程，在進行模態(tài)計算時，加入載荷條件，包括零位移約束、壓力、加速度等。某港口使用的是JQ50型號龍門起重機，在對其進行安全檢測時，發(fā)現(xiàn)設備存在運行不穩(wěn)與明顯振動問題，進而對設備進行動態(tài)分析，根據(jù)對JQ50型號龍門起重機進行模態(tài)分析的結果來看，能夠獲得以下結論：（1）JQ50型號龍門起重機系統(tǒng)暫態(tài)響應，隨著時間的增加，逐漸的轉成穩(wěn)態(tài)響應，主要是由于阻尼的作用，使得能量得以消耗，進而使得系統(tǒng)難以保持等幅振動，產(chǎn)生振幅衰減運動。（2）使用加速度峰值，來估算此龍門起重機吊重離地起升時，其最大結構動應力，估算結果為240MPa，超出安全檢測范圍，因此說明此臺JQ50龍門起重機，其結構動強度峰值，要比靜強度條件下，或者穩(wěn)態(tài)條件下所測試出來的數(shù)據(jù)值要大，因為在許可范圍內，所以整機結構強度符合要求。此龍門起重機在起升的過程中，產(chǎn)生強烈的振動，使得動態(tài)衰減時間被延長[1]。

2.3 龍門起重機結構問題原因分析

龍門起重機結構系統(tǒng)作業(yè)時，產(chǎn)生強烈振動問題以及運行不穩(wěn)問題等，其具體原因如下：（1）龍門起重機的主梁剛度相對較弱，當起重機大車與小車制動以及運行時，則會造成起重機整機振動，振動軌跡沿著大車與小車軌道前進方向。（2）由于起升的速度較大，進而使得起重機滿載起吊狀態(tài)下，產(chǎn)生較大的激振力，加之動態(tài)響應的時間較長，進而使得起重機整機作業(yè)時，穩(wěn)定性較差。（3）起重機結構中的支腿或者橫梁等，其綜合剛度均會影響著起重機的整體動態(tài)性能，造成穩(wěn)定性較差的問題[2]。

3 龍門起重機結構動態(tài)優(yōu)化設計方案

3.1 優(yōu)化算法與準則

在進行起重機結構動態(tài)優(yōu)化設計時，要明確算法與準則。優(yōu)化算法指的是在目標函數(shù)控制下，最佳的方法，通常采用零階優(yōu)化方法與一階優(yōu)化方法。零階優(yōu)化方法也就是直接法，利用通用函數(shù)進行逼近優(yōu)化，即采取最小二乘法逼近，來求取函數(shù)面，擬合解空間，在對此函數(shù)面進行求極，該種算法計算的速度快，但是優(yōu)化精度不高，是簡單起重機常用的算法，適用于所有因變量逼近，能夠有效的解決工程問題。一階優(yōu)化方法，也就是間接法，該種方法的運用，偏向導數(shù)使用，利用因變量的一階偏導數(shù)，不僅優(yōu)化的精讀高，而且能夠適用于因變量變化較大的優(yōu)化方法設計，但是此方法的計算結果不能夠確保是最佳解。在運用零階優(yōu)化方法，進行起重機結構系統(tǒng)優(yōu)化設計時，則需要對Sub-Problem，進行粗優(yōu)化，基于子問題優(yōu)化，利用DV Sweeeps掃描法，做二次優(yōu)化，利用兩次優(yōu)化，最終實現(xiàn)起重機結構系統(tǒng)優(yōu)化。優(yōu)化計算是動態(tài)的過程，需要明確優(yōu)化準則，以盡快達到優(yōu)化目標，設計人員要基于起重機的實際情況，來制定優(yōu)化準則，以確保結構優(yōu)化設計的合理性。

3.2 基于Ansys的模態(tài)分析的優(yōu)化設計方案

基于Ansys的模態(tài)分析，以JQ50龍門起重機為例，對其常見作業(yè)問題，提出對其結構進行優(yōu)化設計方案，通過改進龍門起重機的主梁結構以及其他部位，來提高結構系統(tǒng)的動剛度，同時合理的控制JQ50龍門起重機作業(yè)時的起升速度，進而改善起重機的整機動態(tài)性能。JQ50龍門起重機結構系統(tǒng)，其箱形截面結構剛度與其尺寸有著直接的關系，根據(jù)以往研究得出JQ50龍門起重機結構優(yōu)化參數(shù)，對其結構尺寸做優(yōu)化處理，利用Ansys的目標優(yōu)化功能，對其結構尺寸進行優(yōu)化等，利用此方法對JQ50龍門起重機進行優(yōu)化，改進部分結構參數(shù)，將JQ50龍門起重機的起升速度調整到16m/min。此方案與以往的靜態(tài)設計+動態(tài)補償方法相比，能夠在設計過程中，對起重機結構的動態(tài)特性進行分析，進而能夠及時發(fā)現(xiàn)起重機結構的薄弱部位，能夠為起重機作業(yè)與管理，提供可靠的依據(jù)，同時該設計方案，基于靜態(tài)設計，對JQ50龍門起重機結構進行合理優(yōu)化，使得起重機整機的動態(tài)性能得以提升，進而提高了起重機作業(yè)的穩(wěn)定性與安全性。但是其與基于NSGA-Ⅱ算法的結構設計方案相比，難以實現(xiàn)多目標優(yōu)化，但是較為適用JQ50龍門起重機結構優(yōu)化設計[4]。

4 結束語

龍門起重機是常用的起重設備，其在作業(yè)時，極易出現(xiàn)振動問題與穩(wěn)定性差的問題等，主要是在設計時，忽視了動態(tài)特性，因此需要優(yōu)化其結構設計，文中基于不同的動態(tài)分析方法，提出了兩種優(yōu)化起重機結構設計方案。

參考文獻

[1]童水光，王相兵，鐘崴，等.基于BP-HGA的起重機剛性支腿動態(tài)優(yōu)化設計[J].浙江大學學報（工學版），2013（01）：122-130.

[2]袁媛，楊正茂，孟文俊.龍門起重機金屬結構的多目標動態(tài)優(yōu)化[J].中國機械工程，2016（19）：2641-2646.

[3]吳卓，周靈聰.基于APDL的龍門起重機的參數(shù)化建模及諧態(tài)分析[J].科學技術與工程，2011（10）：2229-2233.

[4]熊彪，李拔周.基于動態(tài)分析的龍門起重機結構優(yōu)化研究[J].起重運輸機械，2015（12）：87-91.