基于拓?fù)鋬?yōu)化的冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張展

（中信鈦業(yè)股份有限公司，遼寧 錦州 121005）

冶金起重機(jī)在冶金企業(yè)中占有重要的位置，冶金起重機(jī)的主梁由于跨度、高度等尺寸大占起重機(jī)的比重相對(duì)較大，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要意義。傳統(tǒng)的冶金起重機(jī)設(shè)計(jì)方法通常以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，安全問(wèn)題嚴(yán)重并且材料浪費(fèi)也很?chē)?yán)重。近年來(lái)，隨著對(duì)起重機(jī)要求的提高，對(duì)起重機(jī)的尺寸和形狀等進(jìn)行了優(yōu)化，但是僅僅是針對(duì)局部進(jìn)行了優(yōu)化，并沒(méi)有對(duì)起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谶@些問(wèn)題，提出基于拓?fù)鋬?yōu)化[1]的冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化是滿(mǎn)足使用要求和規(guī)范的前提下，根據(jù)約束、載荷、優(yōu)化目標(biāo)等條件尋找最佳的優(yōu)化方法。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是根據(jù)給定的約束條件，尋找材料的最佳分配方案，達(dá)到主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更安全、輕便的目的。跟傳統(tǒng)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化相比，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化能夠得到更加合理的結(jié)構(gòu)形式。所以在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)主梁結(jié)構(gòu)的輕量化和應(yīng)力均勻的目的，提高安全系數(shù)，并降低經(jīng)濟(jì)投入和材料浪費(fèi)，具體過(guò)程如下所示。

1 冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁結(jié)構(gòu)作為起重機(jī)的重要部分，考慮到安全問(wèn)題，將左端進(jìn)行固定[2]，右端簡(jiǎn)支，采用中軌箱型梁，由上下翼緣板與隔板焊接而成，主梁的左右部分結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)處理，具體參數(shù)設(shè)置如下：

表1 主梁設(shè)計(jì)參數(shù)

基本的主梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表所示，考慮到冶金起重機(jī)輕量化要求，進(jìn)行選擇主梁結(jié)構(gòu)因子，選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)因子，并考慮到安全性，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)。

1.1 選擇主梁結(jié)構(gòu)因子

為達(dá)到主梁結(jié)構(gòu)輕量化的目的，進(jìn)行主梁結(jié)構(gòu)因子選擇，采用拓?fù)鋬?yōu)化原理，在滿(mǎn)足使用要求和規(guī)范的前提下，對(duì)其進(jìn)行選擇。從主梁結(jié)構(gòu)因子中選擇最優(yōu)勝的個(gè)體，將優(yōu)秀結(jié)構(gòu)因子的染色體[3]先放到基因庫(kù)，并淘汰劣質(zhì)的個(gè)體，把優(yōu)勝的結(jié)構(gòu)個(gè)體遺傳到下一代。在這些結(jié)構(gòu)因子變異之前進(jìn)行選擇，在原有基礎(chǔ)上選擇優(yōu)勝的結(jié)構(gòu)因子，然后保留最優(yōu)個(gè)體。變異算子能夠加速向最優(yōu)解收斂，并具有具有搜索能力，若在整個(gè)選擇過(guò)程中缺少變異因子，則選擇只能在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行查找，不能完成新的突破。采用遺傳因子算法進(jìn)行選擇，該算法中，個(gè)體被選擇的概率和適應(yīng)值大小成比例存在，為保存最優(yōu)個(gè)體，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算方式如下：

式中，Uc代表最優(yōu)結(jié)構(gòu)因子，0.8n代表衡量標(biāo)準(zhǔn)，G代表搜索范圍，此次計(jì)算不做定向分析。

通過(guò)計(jì)算能夠確定基因變異的位置，并保留上一代最優(yōu)的因子，通過(guò)此算法能夠很大程度上縮小搜索范圍，能夠避免選擇好的最優(yōu)因子被破壞。通過(guò)選擇最優(yōu)主梁結(jié)構(gòu)因子，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，并通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，使冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。

1.2 基于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)

在選擇主梁結(jié)構(gòu)因子的基礎(chǔ)上，對(duì)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，起重機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)該接近相同的安全水平，為保證主梁設(shè)計(jì)安全性和充分利用材料性能，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)，尋找最佳的應(yīng)力材料選擇，選擇刪除低應(yīng)力材料[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以加強(qiáng)主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平更加均勻。在主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)中，首先對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行有限元網(wǎng)格化，將主梁結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)的單元?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)單元，進(jìn)行有限元分析，從而得到整體的各個(gè)單元的應(yīng)力。將各個(gè)單元和所有單元最大應(yīng)力進(jìn)行比較，采用相同的刪除率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中，Nc代表結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元，σn代表結(jié)構(gòu)應(yīng)力單元總數(shù)，代表最大應(yīng)力，∑P此次計(jì)算不做定向分析。

運(yùn)用此公式多次計(jì)算和刪除單元，該單元應(yīng)力水平逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)單元應(yīng)力水平趨于均勻，不存在需要剔除的單元，從而獲得滿(mǎn)應(yīng)力的最佳結(jié)構(gòu)[5]。通過(guò)選擇主梁結(jié)構(gòu)因子，和主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)上述兩種具體設(shè)計(jì)，能夠保證起重機(jī)主梁輕量化的要求，并保證主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平均勻，減少安全問(wèn)題的出現(xiàn)，并能減少材料的浪費(fèi)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為證明此次設(shè)計(jì)的冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，采取傳統(tǒng)起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)與本文設(shè)計(jì)的基于拓?fù)鋬?yōu)化的冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比兩者的應(yīng)力情況，對(duì)比結(jié)果如下所示：

圖1 對(duì)比結(jié)果圖

通過(guò)對(duì)比圖能夠看出，本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較好的應(yīng)力效果，并且應(yīng)力均勻，能夠很大程度減少材料浪費(fèi)和減少安全事故的發(fā)生。而傳統(tǒng)的起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)力不均勻，隨著使用次數(shù)的增加，應(yīng)力情況逐漸下降，容易造成安全問(wèn)題。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)基本能夠證明此次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的有效性，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

冶金起重機(jī)在冶金企業(yè)占有重要位置，對(duì)冶金起重機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)起重機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)分析后，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，所以進(jìn)行基于拓?fù)鋬?yōu)化的冶金起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了材料的浪費(fèi)，并且提高了安全程度，對(duì)冶金企業(yè)發(fā)展有重要的推動(dòng)意義。