（机械设计及理论专业论文）门座起重机四连杆变幅机构优化设计.pdf

i 座起垂机凹连杆变幅帆丰勾优化设| 十 摘要 门座起重机是我国研制最早、具有重要代表性的一种旋转式有轨起重机。 在门座起重机的结构设计中，变幅机构的设计是最重要的组成部分，其设计 的优劣直接影响着整个门座起重机的经济性、可靠性和使用性能。 本文对门座起重机四连杆变幅机构进行了研究，并采用载重水平位移作 为主要目标函数即使吊载在变幅过程中沿着水平线或接近水平线的轨迹 运动，以节省变幅驱动功率一一建立了变幅机构的数学模型。同时针对求解 过程中频繁遇到的反函数越界问题，采取了缩减设计变量维数空间和越界时 返回上一搜索点等有效措旋，大大提高了寻优效率。 文中数学模型的求解采用了改进的遗传算法，较好地克服了传统算法易 陷入局部最优解的弊端。 本文还应用v i s u a lb a s i c6 0 开发了四连杆变幅机构优化设计c a d 软件， 为设计人员提供了简洁友好的用户界面，并通过具体实例介绍了软件的使用 方法，验证了软件的实用价值。 关键词：门座起重机变幅系统四连杆组合臂架遗传算法 门座起重机纠连杆坐幅机构优化蹬计 a b s tr a c t t h e p o n a 】c r a n el sak i n do fr e p r e s e n t a t i v er o t a r yr a i lc r a n e w h i c hi sa l s ot h e f i r s td e v e l o p e dc r a n et y p ei no u rc o u n t r y a n dt h ed e s i g no fl u f f e ri sa ni m p o r t a n t c o n s t i t u e n tc o n t e n td u r i n gt h es t r u c t u r ed e s i g no f p o r t a lc r a n e i t sd e s i g nq u a l i t y w i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ee c o n o m y , r e l i a b i l i t ya n ds e r v i c e a b i l i t yo f t h ew h o l ed e v i c e t h ep a p e rs t u d i e sf o u r - b a rl i n k a g el u f f e ro fp o r t a lc r a n e b yt a k i n gl e v e r l u f f i n ga gp r i m a r yo p t i m i z a t i o no b j e c t ，t h u st h el o a dc o u l d b em o v e d a l o n gal e v e l l i n et os a v et h ed r i v i n gp o w e r , am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e1 u f f e ri se s t a b l i s h e d f u r t h e rm o r e ，s o m ee f f e c t i v em e a s u r e ss l i c ha sr e d u c i n gt h ed i m e n s i o no ft h e d e s i g nv a r i a b l e ，r e t u r n i n gt ot h el a s ts e a r c hs p o tw h e nt h ev a r i a b l e so v e r p a s si t s b o u n d a r y , h a v eb et a k e nt oa g a i n s tt h ef r e q u e n t l ya r i s i n gp r o b l e mo fo v e r p a s s b o u n d a r yd u r i n gt h es o l v i n go f i n v e r s et r i g o n o m e t r i cf u n c t i o n a n i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi sp r o v i d e dt os o l v et h em a t h e m a t i c a lm o d e l m e n t i o n e da b o v c 。w h i c hh a sab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ec l a s s i c a lm e t h o d st o a v o i dt r a p p i n gi nl o c a l l y o p t i m a ls o l u t i o n ar e l i a b l ec a d p r o g r a mo fo p t i m i z e dd e s i g ni sa | z od e v e l o p e da n dac o n c i s e a n df r i e n d l yi n t e r f a c ei so f f e r e dt ot h ed e s i g n e r f i n a l l y , t h e o p e r a t i n gm e t h o d so f t h es o f t w a r ea r ep r e s e n t e db yt h ed i s c u s s i o no fa p r a c t i c ee x a m p l e ，w h i c hv e r i f i e s t h eu s ev a l l i eo ft h es o f t w a r e ，t o o k e yw o r d s ：p o r t a lc r a n e ，l u f f e r ，f o u r b a rl i n k a g ec o m g o u n db o o m g e n e t i c a l g o r i t h m ，o p t i m u md e s i g n 门座起重机四连杆变幅机构优化驶计 第一章绪论 起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的设备。它 是现代化生产必不可少的重要机械设备，对于减轻繁重的体力劳动、提高劳 动生产率和实现生产过程的机械化、自动化以及改善人民的物质、文化生活 需要都具有重大的意义。 起重机械在工矿企业、港口码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、宇 宙航行等各个工业部门都有广泛应用。它不仅可以作为辅助生产设备，完成 原料、半成品、产品的装卸、搬运，进行机电设备的安装、维修，而且也是 一些生产过程( 如钢铁冶金生产) 工艺操作中的必需设备。 起重机械发展到现在，已经成为合理组织成批大量生产和机械化流水作 业的基础，是现代化生产的重要标志之一。在我国现代化的发展和各个工业 部门机械化水平、劳动生产率的提高中，起重机械必将发挥更大的作用。 在各种不同类型的起重机中，门座起重机是我国研制最早、一种重要而 又具有代表性的旋转类型的有轨运行式起重机。现代门座起重机广泛应用于 港口、码头货物的机械化装卸，造船厂船舶的施工、安装以及大型水电站工 地的建坝工程中，对于减轻繁重的体力劳动，改善工人的操作条件，提高劳 动生产率都有着很大的意义，是实现生产过程机械化不可缺少的重要设备。 1 座起重机概述 门座起重机是广泛用于港口装卸作业、船厂安装作业及其它生产实际中 的一种起重机械，其产品因其使用地点不同以及用户对产品的性能要求不同 而具有多样化的结构型式。 根据结构型式的不同，门座起重机可分为不同的类型，如： 按门架结构型式，可分为全门座起重机和半门座起重机。如图1 1 和图 1 2 所示。 按起重臂结构型式，可分为四连杆组合臂架式门座起重机( 图1 - 3 ) 和单 臂架式门座起重机( 图1 4 ) 。 按上部旋转部分相对下部运行部分旋转的支撑装置的结构型式，可分为 转柱式门座起重机、定柱式门座起重机、转盘式门座起重机和大轴承式门座 起重机。 根据用途和使用场合的不同，又可分为港口用门座起重机、造船用门座 起重机和建筑用门座起重机等等 1 1 。 目前，门座起重机的发展具有以下两方面主要特征： 1 1 1 大型化 船舶建造的大型化、吨位的迅速增大，要求大型的门座起重机与之相适应 l 门座起重机四连杆变幅机构优化设计 即要求设计制造出大起重量、大幅度、大起升高度的门座起重机。例如前联 邦德国克虏伯公司为日本三井造船公司设计的最大起重量达3 0 0 t 的门座起重 机。该机两个主钩的额定起重量分别为3 0 0 t 和1 5 0 t ，其最大工作幅度分别为 5 5 m 和8 4 m ，并且在5 5 m 的工作幅度范围内，可以用两个主钩同时工作，以 实现船体分段空中翻身。日本的石川岛播磨重机公司也曾设计制造过参数基 本相同的3 0 0 t 门座起重机。 图1 1 全门座起重机 f i g 1 1f u l lp o r t a lc r a n e 围1 2 半门座起重机 f i g 1 2h a l f p o r t a lc i a i l e 图1 3 四连杆组合臂絮式门座起重杌舀1 4 筚臂絮武门座起重机 f i g 1 3f o u r - b a rl i n k a g el u f f e r c r a n e f i g 1 4s i n g l ea r m c r a n e 联邦德国波利希一海凯尔一布莱谢尔特公司及尤和工厂共同为瑞典考库姆斯 船厂设计了一台起重量达1 5 0 0 t 的门座起重机，用于该厂建造3 5 万吨船舶的 船坞。这台起重机高达1 3 6 m ，跨度1 7 4 m ，最大起升高度为1 0 5 m ，起重机总 质量7 2 0 0 t ，电动机总容量为3 3 0 0 k w 。 门座起重帆叫连杆变幅机构优化没计 1 1 2 标准化、系列化 随着国民经济的发展，对门座起重机的需求量也与日俱增，因此，对其 主要参数、主要机构及零部件实现系列化、标准化，对于提高生产率、降低 成本、便于维修保养等都有着重要意义。目前国外的许多厂家都制定了自己 的门座起重机产品系列。如：日本日立造船公司为码头起货及船厂船坞用的 门座起重机制定了系列；日本三菱重工业公司对6 0 1 5 0 t 的门座起重机制定了 系列；日本石川岛播磨重机公司制定了j c 型5 4 0 t 的门座起重机系列；意大 利切雷蒂一汤法尼公司( c e r i t t e t a n f a n i ) 的门座起重机系列等等p 。j 。 1 2 门座起重机变幅机构设计 随着市场竞争的日趋激烈，对门座起重机的设计质量和效率提出了越来 越高的要求，其中变幅系统的优化设计是该产品开发过程中最常遇到的问题， 对整机的性能有着重大影响，对其设计方法的研究长期受到一些研究部门和 众多学者的关注和重视。但由于其设计变量较多，受力较复杂，约束条件多 一通常而言，约束条件的数量越多，就存在更多的不连续位置和设计空间 中的孤岛式区域因而在优化应用和研究上具有相当的难度。 实际上，变幅机构的设计是一个拓扑布局优化问题，其变量涉及各构件 的长度和铰点的位置。而拓扑布局优化问题是一个n p 一难问题，变量的可能组 合数目庞大，利用传统的优化方法往往难以奏效。 这是因为传统的优化进程比较生硬，由于算法的多样性和实际问题的复 杂性，使优化计算在迭代过程中经常出现死机、死循环、不迭代和假收敛等。 另外，传统的优化方法在优化设计过程中往往需要一个初始方案，该方案的 好坏直接影响优化过程的收敛速度、优化结果的精度、甚至优化设计的成功 率。 因此研究门座起重机变幅机构的优化设计既具有现实意义又具有理论意 义。 1 2 1 门座起重机的现代设计方法 ( 一) 模糊优化设计 门座起重机的结构设计，几十年来都采用强度、刚度设计，即根据强度 理论选择截面形状，求出截面面积，然后再根据刚度理论检验其变形或位移 是否过大，或有无失稳的危险。如果进行动力设计的话，还考虑固有频率， 使载荷的频率不落在固有频率的附近，有时还校核某些部位的速度和加速度。 这就是传统的设计方法。 传统的设计方法，很难得到起重机设计的最优方案，现代设计方法中的 优化设计方法可解决这个问题。优化设计的数学模型如下： 求x 2 ( _ ，t ，) ，使 f 座起重机叫迮杆变i 嘀机构优化哎汁 w ( x ) - 9 m i n ，并满足( 1 1 ) g ( x ) g to = 1 , 2 ，m ) 式中x 为设计变量，x ，x z ，为所求设计变量如截面的宽、高、半径、或多 种型钢的型号等，朋为所追求的优化目标函数，甑( x ) 代表应力、应变、位 移、频率等物理量，“i 是蜀所允许的范围。 对起重机所做的优化设计工作，如以重量最轻为目标函数对桥式起重机 主梁进行优化，或对桥架、零部件和结构进行优化，取得了较好的效果，但 在优化的过程中，对所涉及的影响因素均作为确定因素处理，这是一种不符 合实际情况的假定。事实上，起重机设计中存在大量的不确定的模糊因素： ( 1 ) 载荷是不确定的，由于环境的变化( 如有风载荷) 更是模糊的； ( 2 ) 起重机系统本身存在不确定性。为便于计算而抽象出的起重机计算模 型不符合实际的模糊情况； ( 3 ) 结构或零件失效准则是模糊的。如许用应力的取值应是一个用模糊数 表示的范围，但在现有设计中却取为一个定值。 为了解决起重机设计中存在的种种模糊问题，可采用模糊优化设计方法。 其方法是在优化设计中对模糊因素用模糊数学的方法进行处理，将改成c ( 基本上含于) ，r a i n 改成m i n ( 接近于极小) ，g i 改成为g ，职抑改成蟛( x ) ， 从而由原来优化设计的数学模型( 1 ) 得到模糊优化设计的数学模型如下： 求x 2 ( ，屯，工。) ，使 彬( x ) m i n ，并满足 ( 1 2 ) 孽( x ) g f ( f - 1 ，2 ，m ) 这样一来，原来虚设为绝对化的东西都模糊化了，不符合实际的硬性规 定的准则可以有些通融和弹性了，从而所设计的起重机更能符合实际的需要， 其性能更好、造价更经济。 模糊优化设计还可以与可靠性设计结合起来，在考虑设计参数的模糊性 的同时考虑随机性，这样既得到最优设计方案又保证设计的可靠性。 ( 二) 基于特征的设计 c a d 和c a m 是围绕产品的设计和制造两大邻域独立发展起来的。传统 的c a d 采用了几何捷型，但缺乏c a d 和c a p p 所需的零件特征信息，如公 差、材料、表面质量和技术等非几何信息。为实现c a d c a m 的集成，应根 据产品在整个生命周期各个阶段的不同需求，建立一个统一的产品模型，获 门座起重机四连杆变幅机构优化改汁 得统一的产品定义数据。目前国内外公认的最好的模型就是基于特征 ( f e a t u r e ) 的模型。特征建模是解决c a d c a m 集成的一个重要而又很有发 展前途的研究方向。 特征建模的特点是将特征作为产品构成的基本单元。特征可定义为：在 制造阶段可识别的包含完整工程信息的集合，通常指按照机械零件设计中经 常用到的，且能为通常加工方法所加工的一系列基本几何形体及复合几何形 体的集合，并且赋予这些几何设计功能和加工属性。从加工角度而言，特征 体对应着特定的加工方法，使得加工工艺的确定很容易按照成组技术的原理 来进行。 c a d 和c a m 是门座起重机设计和制造的重要发展方向。为了使 c a d c a m 能够j l r 哽n 集成，在起重机c a d 设计中应采用基于特征的设计。 完整表达一个超重机零件所需的特征，应包括形状特征、材料特征、技 术特征、精度特征和管理特征，其中形状特征是须考虑的重点，也是其它特 征信息的载体。根据起重机形状构成的特点以及实际生产状况，可将起重机 的形状特征分为三大类：钣金特征、回转特征和非回转特征。其中钣金特征 是生产中最常用的特征。起重机结构件如车架、吊臂、转台等，都是由钣金 特征构成的。钣金特征可分为平板特征和成形板特征，平板特征又可细分为 下料特征、边界特征和内部特征。抽象板特征也可再分。回转类特征主要用 来表示实际轴、齿轮和各种液压块，非回转类特征主要用来表示非回转件。 特征的表达可以采用面向对象技术，将特征定义为对象，每类特征用对象类 表示，每个特征类定义为参数化的形状单元。 ( 三) 面向制造开口装配的设计 未来门座起重机的设计和制造将从目前分离的单独过程转为协调并进的 过程，起重机产品不仅要满足设计要求，而且要便于制造和装配，因为超重 机设计的好坏在很大程度上决定了起重机的制造成本和装配成本。如果在设 计阶段就充分考虑产品的制造性和装配性，根据材料选择、加工设备、加工 工艺、加工刀具与辅具以及装配成本来分析确定单个零件的几何形状和加工 要求，那么制造和装配工作就易于进行，从而可有效地降低制造成本和装配 成本，使该起重机产品能占领更多的市场份额。这就是面向制造和装配的设 计方法的基本思想。面向制造和装配的设计( d f m a ：d e s i g n f o r m a n u f a c t u r i n g a n d a s s e m b l y ) 的实质是成本分析，即在保证产品质量的条件下有效地降低生 产成本。生产成本是决定经营成败的关键因素，在产品制造技术日趋成熟的 今天，降低生产成本是占领产品市场的重要环节。 ( 四) 面向并行工程的设计 长期以来，门座起重机产品开发工作一直采用顺序工程方法，即按照需 求分析、概念设计、技术设计、施工图绘制、制造、装配、检验、包装、销 售这样一个线性流程依序进行，如果某一个环节发现问题，则可能会牵涉到 其它环节甚至所有的环节。顺序工程方法存在下列缺点：设计改动量大，产 门座起重机凹连杆变幅机构优化设计 品开发周期长，产品成本高，而且在设计过程中不能及早考虑制造过程及质 量保证等问题，造成设计与制造脱节。解决的方法可采用并行工程( c e ： c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 。 并行工程是一种系统方法，它在设计产品的同时，同步地设计与产品生 命周期相关的过程，力求使产品开发者在设计阶段就可考虑产品整个生命周 期中从概念形成到产品报废处理的所有因素：设计、分析、制造、装配、检 验、维护、可靠性、成本和质量等等。并行工程的目标在于缩短产品投放市 场的时间，提高产品的质量以及降低产品在整个生命周期中的消耗。并行工 程应使产品及其相关过程设计工作集成，产品开发过程中各阶段工作交叉并 行进行，以尽早发现并解决产品整个生命周期中的问题，达到多项工作的协 调一致。 面向并行工程的起重机设计方法显然不同于目前的起重机设计方法，需 要组织一个工程技术小组进行协同工作。这个小组不仅包括设计人员，而且 包括经营、管理、装配、检验、维修等部门的工程技术人员，他们在设计阶 段协同工作得以顺利进行，集成的c e 环境是不可缺少的。对c e 环境的要求 是：统一的产品模型，分布式的工作环境，开放式的用户界面。 ( 五) 智能设计 智能是知识以及运用知识来解决问题的能力的总和。智能设计可理解为 基于知识的设计，也可认为是智能工程与设计的有机结合。智能工程是一门 关于知识的自动化处理和应用的新学科，其研究目标是探索关于知识的表示、 获取、保存、交换、运用的理论方法及实现技术。相对于数值处理，数据处 理及信息处理，知识处理是更高层次的一门技术。 智能设计在早期采用的是专家系统技术。专家系统是一种问题求解的智 能软件系统。在起重机设计中采用专家系统的技术已有报导，其处理方式是 把起重机专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用 专家的推理方法和控制策略解决起重机设计中的分析、推理和决策问题【6 j 7 1 。 1 2 2 门座起重机优化设计方法 优化设计方法是数学规划和计算机技术相结合的产物，它是一种将设计 变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参数指标的函数( 称为目标函数) ， 然后在产品规定的性态、几何、运动等其它条件的限制( 称为约束条件) 的 范围内，寻找满足一个目标函数或多个目标函数最大或最小的设计变量组合 的数学方法。起重机设计采用这种方法，根据产品要求，合理确定和计算各 项参数，以期达到最佳设计目标。优化设计方法已成为解决复杂设计问题的 一种有效工具。 优化设计的基础和核心是优化理论和算法。优化方法可用如下不同方法 分类： ( 1 ) 按是否有约束，优化方法可分为无约束优化方法和约束优化方法； 门座起重机蹦连杆变幅机构优化垃汁 ( 2 ) 按模型中目标函数和约束函数表达式的特性来分，算法可以分为线 性优化方法和非线性优化方法； ( 3 ) 按设计变量是离散的或是连续的，优化方法可分为连续优化方法和 离散优化方法等。工程优化设计问题大多数为约束非线性优化问题。 一般约束最优化问题的求解方法大致可分为两大类： ( 一) 解析法 即利用数学分析的方法，根据目标函数导数的变化规律与函数极值的关 系，求目标函数的极值点。根据n 元函数存在极值的充分必要条件可知，利 用解析法寻求极值点时，需要求解由目标函数的偏导数所组成的方程组，以 便找出稳定点，然后还要用h e s s i a n 矩阵对所找到的稳定点进行判断，看它是 否是最优。在目标函数比较简单时，求解上述方程组及用h e s s i a n 矩阵进行判 断并不困难，但当目标函数比较复杂或为非凸函数时，应用这种数学分析方 法就会带来麻烦，有时甚至很难解出由目标函数各项偏导数所组成的方程组， 更不用说用h e s s i a n 矩阵进行判断时的困难了。在这种情况下，可以尝试采用 另一种方法，即数值计算方法。 ( 二) 数值计算方法 这是一种数值近似计算方法，又称数值方法。它是根据目标函数值的变 化规律，以适当的步长沿着能使目标函数值下降的方向，逐步向目标函数值 的最优点进行探索，逐步逼近到目标函数的最优点。 最优化方法是与近代电子计算机的发展紧密相联系的，数值计算方法比 解析法更能适应电子计算机的工作特点，因为数值计算的迭代方法具有以下 特点： a ) 是数值计算而不是数学分析方法： b ) 具有简单的逻辑结构并能进行反复的同样算术运算； c ) 最后得出的是逼近精确解的近似解。 迭代法的基本思路是“步步逼近”、“步步下降”或“步步登高”，最后达 到目标函数的最优点。这种方法的求优过程大致可归纳为以下步骤： a ) 首先选一个尽可能靠近最小点的初始点义，从o 出发按照定的 原则寻找可行方向和初始步长，向前跨出一步到达曩n 。 b ) 得到新点掣u 后再选择一个新的使函数值下降的方向及适当的步长， 从”点出发再跨出一步，达到义”，并依次类推，最后搜索到目标函数的最 优点。 c ) 每向前搜索一步，都应检查所得到的新点能否满足预定的计算精度。 可行方向法是用梯度求解约束非线性最优化问题的一种具有代表性的直 接搜索方法，也是求解大型约束优化设计问题的主要方法之一，其收敛速度 快，效果较好，适用于大中型约束最优化问题，但程序比较复杂。按产生可 行方向的不同，又可分为随机法、z o u t e n d i j k 方法、r o s e n 梯度投影法、简约 梯度法和广义简约梯度法。随机法在蝴点产生j v 个随机单位方向向量，通过 检验使其同时满足可行方向和下降方向进行搜索，此法较简单，容易实现程 门座起重帆删连杆娈幅机构优化波计 序化。z o u t e n d i j k 法对线性和非线性的不等式约束问题均适应，但不能容纳等 式约束，是可行方向法中选择可行下降方向的主要方法之一。这种方法的要 点是将具有一阶连续偏导数的原目标函数和约束函数在”点用泰勒级数展 开式展成线性近似函数，并用这些线性近似函数代替原目标函数和约束函数， 使问题线性化。r o s e n 梯度投影法亦称为大步梯度法，主要解决线性约束的非 线性规划问题。r o s e n 提出的梯度投影法避免了z o u t e n d i j k 法步步要求解线性 规划问题的麻烦，、其实质是用负梯度向量在一个约束面或几个约束面交集的 投影来确定其上封的可行下降方向。w o l f e 将线性规划的单纯形法推广到求 解约束条件为线性的非线性目标函数的最优化问题，形成了简约梯度法。而 对于具有非线性约束的非线目标函数的最优化问题，则可采用著名的广义简 约梯度法求解。这种方法是由j a b a d i e 与j c a r p e n t i e r 将简约梯度法推广到能 同时容纳非线性目标函数和非线性约束而提出的，成为目前求解一般非线性 规划问题最有效的方法之一。 用线性规划去逐次逼近非线性规划，即把非线性规划问题转化成线性规 划问题的求解方法，是求解非线性规划的常用方法之，这种方法由于利用 了线性规划求解的完善性与简单性，也同样受到人们的重视。但如果非线性 规划问题不是一个凸规划问题，其最优解往往不止一个，而线性规划问题所 求得的解只有一个，因此，采用这种方法所求得的解往往只是局部最优解。 序列二次规划法( s q p ) 将原非线性规划问题转换为一系列二次规划问题 来求解，被公认为求解中小型约束非线性优化问题的最有效方法之一，当迭 代解接近最优点时采用这种方法收敛速度很快。 罚函数通过构造包含了原有目标函数及约束条件并称作“惩罚函数”的 新的无约束目标函数，将原来的约束最优化问题，转化为一系列无约束优化 问题，然后求其最优解，这种方法被称为惩罚函数法。根据罚函数的构造不 同，它又可分为内点罚函数法、外点罚函数法和混合罚函数法。用罚函数法 求得的最优解，趋于原问题的最优解，同时又满足了原有的约束条件。转化 为无约束问题后，求解比较简单，是种行之有效的方法，亦常用于解带有 不等式约束的最优化问题，并属于不等式约束最优化问题的间接解法。但由 于它是通过求解一系列无约束问题的极值点来收敛于最优点，使计算速度受 到影响，并且在寻优后期，罚函数往往出现病态，给求解带来困难。拉格朗 日乘子法既可用于解等式约束的最优化问题，又可用于解不等式约束的最优 化问题，既保留了罚函数法原来的优点，又可以避免罚函数出现病态带来的 困难，从而使拉格朗日乘子法成为工程界广泛采用的优化方法。 求解约束优化问题的直接方法主要有网格法、随机试验法、复合形法和 可变容差法。网格法和随机试验法收敛缓慢、效率低，只适用于解决小规模 优化问题。复合形法是求解约束非线性优化设计问题的一种应用比较广泛的 直接法，它是在n e l d e r 和m e a d 提出的单纯形法的基础上通过改进而形成的。 所谓复合形就是在n 维设计空间的约束可行域内，对复合形各顶点的目标函 数值逐一进行比较，不断去掉最坏点。代之以既能使目标函数值有所下降， 又满足所有约束条件的新点，逐步调向最优点。由于这种方法一次去掉一个 门胜起熏机四连杆变幅机构优化设计 点，效率较低，只适于解决小规模优化问题。在约束最优化问题的直接解法 中，还有一种称为可变容差法( f l e x i b l et o l e r a n c em e t h o d ) 。它也从单纯形法发 展而来，所以有时亦称为有约束的单纯形法。其基本思想是把多个约束条件 的最优化问题化简为一个单约束问题来求解。在许多约束最优化方法中，为 了满足严格的可行性要求，往往要花去相当多的计算时间，而可变容差法则 是由可行点和称为“近乎可行点”的某些非可行点提供的数据来改进目标函 数值。在探索向着最优解的逼近过程中，逐步加强对“近乎可行点”的约束 破坏估计量的限制，直到最后只有可行的x 才会被接受为止。可变容差法的 一个优点是：当迭代点向原问题的最优解逼近时，原问题中的约束条件的违 背程度是逐渐减小。因而在迭代初期这些约束条件不须严格地得到满足，这 样就可大大地缩减迭代计算的时间。可变容差法的另一个优点是：能方便地 用第k 步搜索中给出的关于可行性的可变容差准则毋件作为停止迭代的标准。 近年来，人工智能方法在优化设计中以其独特的优势获得了广泛地应用。 人工智能方法主要包括人工神经网络和模拟退火算法及遗传算法。 人工神经网络的研究与计算机的研究几乎是同步发展的。1 9 4 3 年，心理 家m c c u l l o c h 和数学家p i t t s 合作提出了形式神经元的数学模型，成为人工神 经网络研究的开端。1 9 4 9 年，心理学家d o h e b b 提出神经元之间突触联系强 度可变的假设，并据此提出神经元的学习准则，为神经网络的学习算法奠定 了基础。1 9 8 2 年，h o p f i e d 提出了一种神经网络的数学模型，引入了能量函数 的概念，研究了网络的动力学性质：紧接着又设计出用电子线路实现这一网 络的方案，同时开拓了神经网络用于联想记忆和优化计算的新途径，大大促 进了神经网络的研究。人工神经网络的一个很重要的特点是它能够有效地解 决很多非线性问题，而且在很多工程应用中取得了成功。但另一方面，神经 网络中有很多重要的问题尚没有从理论上得到解决，因此实际应用中仍有许 多因素需要凭经验确定，比如如何选择网络节点数、初始权值和学习步长等。 模拟退火算法得益于材料的统计力学的研究成果。统计力学表明材料中 粒子的不同结构对应于粒子的不同能量水平。在高温条件下，粒子的能量较 高可以自由运动和重新排序。在低温条件下，粒子能量较低。如果从高温 开始，非常缓慢地降温( 这个过程被称为退火) ，粒子就可以在每个温度下达 到热平衡。当系统完全被冷却时，最终形成处于低能状态的晶体。将物理学 中模拟退火的思想应用于求解优化问题就可以得到模拟退火寻优方法。已有 研究表明，如果温度下降十分缓慢，而在每个温度都有足够多的状态转移， 使之在每一个温度下达到热平衡，则全局最优解将以概率l 被找到，因此可 以说模拟退火算法能够找到全局最优解。张氢研究了自适应步长的模拟回 火一一退火算法，并应用于抓斗机构优化中。模拟退火法在求解规模较大的 实际问题时，往往存在收敛缓慢的缺点，一些参数的设定也难以掌握。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 是由美国密西根( m i c h i g a n ) 大学的 h o l l a n d 教授等创立的一类仿生型的优化算法，是以达尔文的生物进化论和孟 德尔的遗传变异理论为基础，模拟生物进化过程，自适应启发式全局优化的 门座起重甘l i j q 连杆坐幅机构优化设计 搜索算法。遗传算法主要包括选择、杂交、变异三个遗传操作。选择操作使 种群中适应性强的个体得以保存，适应性差的个体被淘汰，杂交是将父代个 体作为双亲进行繁殖产生后代个体的机制，杂交能使基因重组从而有可能产 生更好的个体，变异用来模拟生物界因为各种偶然因素导致的基因突变，变 异操作使种群保持一定的差异性，能在一定程度上避免种群早熟的发生。 b e r t o n i 研究了遗传算法的隐性并行性，有的对遗传算法的机理进行了研究， 柴天佑等对遗传算法的研究进行了综述，讨论了遗传算法的收敛性与计算效 率问题。目前，遗传算法已在工程实践中获得了广泛应用，把遗传算法和其 它优化方法有机结合以提高搜索效率、改善解的质量是遗传算法的研究热点 之一。有人研究了遗传算法和模拟退火法的结合问题，并把遗传算法和模拟 退火法相结合应用于网络划分优化瞵“。 1 3 课题的主要研究内容和意义 1 3 1 本论文的内容 四连杆组合臂架门座式起重机是港口装卸的主要机型之一，也是我国港 口使用最广泛的设备。目前，国内外门座起重机变幅机构大都采用组合臂架 式，如西德的克虏伯公司以前大多制造四连杆式的起重机。 本论文的主要内容是：对四连杆式组合臂架变幅系统的主要尺寸进行优 化设计，保证物品在交幅过程中尽可能沿接近于水平线的轨迹移动；并开发 出运动轨迹模拟的可视化软件。 选用该课题的理由是： ( 1 ) 因为这种方法大大改善了单臂架绳索补偿法的起升绳长度大、磨损 快、小幅度时物品悬挂长度大、摆动也大等缺点；且能实现物品的水平移动， 从而降低变幅功率。 ( 2 ) 目前已推广到大幅度和大起重量的起重机上，所以对该系统进行优 化研究是有必要的，具有重要的实际应用价值和意义。 ( 3 ) 该系统的几何参数较多，在作多个方案进行比较，初选几何尺寸和 布置时，不仅费时、费工，而且所确定的所谓比较好的方案可能并非最佳方 案。应用电予计算机进行系统优化，无疑加快了设计周期，提高了设计效率 和设计精度，降低了劳动强度。 ( 4 ) 目前对其研究较少( 通过对文献的检索可以发现) 。 1 3 2 问题的解决途径 以前解决四连杆变幅机构的优化设计大多采用较老的传统的优化方法， 比如罚函数法、乘子法等。这些方法主要有两方面的局限性：一是由于平面 连杆曲线非线性较强，使得轨迹综合优化的目标函数往往具有多峰值，确定 性优化算法一般只能搜索到局部最优解；二是确定性优化算法多为单点搜索， 最终只能求得一个解，而在机械设计中，有时受到其它因素影响，可能最优 门座起重机四违杆变幅机构优化设汁 解无法实现，进而需要次优解，这时就要求优化算法能给出多个优化结果。 本文采用遗传算法优化法，属于随机优化算法。它具有群体搜索隐含并 行算法，能以较大概率搜索到全局最优解等特点，较好地克服了确定性优化 算法上述两方面的缺陷，且具有更强的适应性，搜索到全局最优解的概率大 大提高。 座起重机叫连杆变幅机构优化设计 第二章门座起重机四连杆变幅机构设计 变幅系统是门座起重机最重要的组成部分，一般来说，选定了变幅系统 的结构型式，也就确定了门座起重机的基本型式。变幅系统的优劣还决定性 的影响着整个门座起重机的使用性能、可靠性和经济性。 按起重臂的结构型式，门座起重机的变幅机构可分为组合臂架式变幅机 构( 图2 1 ) 和单臂架式变幅机构( 图2 2 ) 。 图2 1 四连杆组合臂架式门座起重机 f i g 2 1f o u r - b a rl i n k a g el u f f e rc r a n e 图2 3 摆动臂架式变幅机构简图 f i g 2 3b r i e f d r a wo f t h el u f f e r 图2 2 单臂架式门座起重机 f i g 2 2s i n g l ea r mc r a n e 门座起重机的变幅工序都可以在 带载条件下进行，而且变幅过程是每一 工作周期中的主要工序之一，因此它的 变幅机构是工作性变幅机构。工作性变 幅机构可使物品绕起重机的旋转轴线 作径向水平移动，以扩大起重机的服务 面和提高工作机动性，其主要特征是变 幅频繁，变幅速度对装卸生产率有直接 影响，变幅阻力较大。 现代的门座起重机都采用摆动臂 架式交幅( 图2 3 ) ，且大多要求实现工 作性带载变幅，为了尽可能降低变幅机 构的驱动功率和提高机构的操作性能，目前普遍采用下述两项措施： ( 1 ) 载重水平位移：为使物品在变幅过程中沿着水平线或接近水平线的轨 迹运动，采用物品升降补偿装置。 ( 2 ) 臂架自重平衡：为使臂架装置的总重心的高度在变幅过程中不变或变 门座起重帆心连杆变i i 苗机构优化世计 化较小，采用臂架平衡系统。 而在门座起重机中，大多数是采用水平变幅系统的起重机：即在变幅过 程中，载重位移的路线是一条水平线或近似于水平线，以节省变幅驱动功率。 为了使载重走水平，专门设计有相应的变幅系统，在这些系统中，就起重臂 的型式来说，一般可分为单臂架式和组合臂架式。 单臂架式门座起重机在国外用得比较多，尤其是在日本，采用单臂架式 的最多，造船厂里的门座式起重机几乎全是采用这种方式。由于这种起重机 在不同的幅度位置其起重臂顶端的高度是不相等的，在大幅度位置起重臂顶 端的高度低，在小幅度位置起重臂顶端的高度高，于是为了保证载重的水平 变幅，就不得不采用补偿机构来达到这个目的，最常用的有以下三种： 2 1 单臂架滑轮补偿法 2 1 1 滑轮组补偿法 其原理是：起升钢丝绳由卷筒出来，绕过转柱顶部滑轮( 也称补偿滑轮) 再饶过起重臂顶端滑轮，然后往复于转柱顶端滑轮和臂架顶端之间数次，最 后下垂至吊钩。这样当起重臂幅度变小时，尽管起重臂顶端升高了，但是转 柱顶端滑轮与起重臂顶端滑轮之间的距离缩短由于两者间距离的缩短，多出 来的钢丝绳从起重臂的顶端放下，补偿了由起熏臂顶端升高使吊钩升高的距 离，从而使吊钩保持原来的高度。这就使得在整个变幅过程中，保证载重位 移水平。这种补偿法的特点是在起升绳系统中增设一个补偿滑轮组。其优点 是构造简单，臂架受力比较有利，容易获得较小的最小幅度等。缺点是起升 绳的长度大，起升绳磨损快，小幅度时物品摆动幅度大，用于大起重量起重 机有一定困难，主要用于小起重量的起重机。 2 1 2 导向滑轮补偿法 从卷简出来的钢丝绳经过装在摆动杠杆上的导向滑轮，然后通向臂架头 部。装有补偿导向滑轮的杠杆，通过拉杆与臂架连接，在变幅过程中，补偿 导向滑轮的位置是不断变换的，从卷简到臂架头部之间的钢丝绳长度的变化， 应与吊钩随臂架头部的升降补偿。这种方法与滑轮组补偿法相比，其优点是 由于改善了钢丝绳的缠绕情况，使起升绳的长度和磨损得以减小，但构造较 复杂，难以获得较小的最小幅度。 2 1 3 卷筒补偿法 这种补偿法的原理是将起升绳的另一端绕在一个由变幅机构驱动的补偿 卷筒上，而补偿卷筒是与变幅卷筒同轴联系的。在变幅过程中，补偿卷简放 出或收进一定长度的起升绳，以弥补因臂架摆动而引起的物品升降现象。补 偿卷筒常是圆锥形的，可近似地达到物品水平位移。 塑些望皇! ! 丛堡笪壅 堕! ! 塑垡! 兰壁三上 。 以上所述补偿法的优点是：使用单臂架、枫造简单、自重轻；共同缺点 是：起升绳长度大、磨损快、小幅度时物品悬挂长度大、摆动也大。 2 2 组合臂架补偿法 于是针对其缺点，人们又设计了组合臂架式的交幅机构。它的特点就是： 物品在变幅过程中的水平移动是依靠臂架端点在变幅过程中沿接近水平线的 轨迹运动来保证。其常用的形式有以下两种： 囹2 4 四连杆铰接组合臂架 f i g 2 4f o u r - b a rl i n k a g ec o m b i n a t i o n b o o m ( 一) 四连杆式补偿法 其原理如图2 4 所示。臂架系统是 组合式的，它由臂架，象鼻梁和共性拉 杆三部分组成。象鼻梁的端点将描绘出 一条双叶曲线，如果臂架系统的尺寸选 择得合适，则在有效幅度( 岛。岛，。) 范 围内，象鼻梁的端点将沿着接近于水平 线的轨迹移动。当起升绳沿着臂架或拉 杆到象鼻梁，并从其头部引出，即满足 了物品水平变幅的要求。 这种方案的主要优点是：物品悬挂 长度减小，摆动现象减轻，起升绳的 长度和磨损减小，起升滑轮组的倍率对补偿系统没有影响。但主要缺点是： 臂架系统复杂，自重大，物品难于沿严格的水平线变幅等。这种方案在港口 及造船门座起重机上应用最广。 ( 二) 平行四边形组合臂架 这种方案通过由拉杆、象鼻梁、臂架与连杆构成的平行四边形，可保证 吊重在变幅过程中严格地走水平线。 这种方法在工作过程中会产生物品偏摆，钢丝绳偏摆角度相同时，钢丝 绳悬挂长度大的物品，其圆弧偏摆幅度也大。且在同样幅度情况下，直臂架 的物品悬挂长度比铰接组合臂架要大( 1 4 - - 1 7 ) 倍，尤其当小幅度时，差别更大， 因此物品的圆弧偏摆幅度差不多也以同样的倍数增大，这既给操作工序带来 不便，而且也给电动机带来不稳定载荷。 2 3 四连杆变幅机构的优化设计 优化设计的数学模型，就是描述优化问题的设计内容、变量关系、约束 条件和优化意图的数学表达式。对于机械优化设计问题，它的数学模型是通 过对设计问题的全面分析研究，根据设计对象的机理，设计准则，各变量间 的依存条件及优化目标等抽象出来的一组数学表达式。 数学模型是优化设计的基础和关键。因为数学模型是否能严密而准确地 反映设计问题的实质，将直接关系着优化设计研究的成败，只有有了正确的 4 1 座起重机叫连杆坐幅甘【构优化殴计 数学模型，才能对照选择适当的优化方法来求解模型中的实现问题，从而得 出优化设计的方案。所以，数学模型的建立是优化设计必要的准备和关键内 容。优化设计的数学模型有三个要素： ( 1 ) 设计变量； ( 2 ) 目标函数 i 飚，、 - t - ：鼯匕；r 。 e ( x y ) b 。幺 0 孟 汝 一o s m 。 氏。 图2 5 四连杆变幅机构计算简图 f i g 2 5c o m p u t i n gm o d e lo ff o u r - b a rl i n k a g el u f f e r 2 3 1 设计变量的确定 一个优化设计方案是用一组设计参数的最佳组合来表示的。在这组参数 中，有一些是在设计中预先给定的，有一些是有待选择的。我们把这组有待 选择的参数称为设计变量，并把它们排列为一个向量： x = 【，x ：，x 3 - 】7 在本优化设计问题中，如图2 5 所示，由起重机的用途、结构布置形式等 设计要求可知最大和最小幅度尺。、r 。、起升高度日，起重量q 等技术参数。 设计四连杆变幅装置的基本要求是：保证物品在变幅过程中尽可能沿着 接近于水平线的轨迹移动，由物品引起的臂架力矩尽可能小，臂架系统的尺 寸尽可能紧凑，而四连杆装置的重量轻，人字架顶点的位置落在规定的范围 内等。所有这些指标都可以归纳为七个设计变量： x = 月，三，y o ，c 7 = 【 ，工2 ，x 3 ，_ ，x 5 ，x 6 ，_ 2 门座起重t l v q 连杆娈幅机构优化垃汁 其中j r 为臂架长度，为拉杆长度，为象鼻梁前端长度，为象鼻梁后端长 度，为人字架顶点的水平距离，y 。为人字架顶点的竖直距离，c 为象鼻梁中 间铰点的下垂距离。出于对起重机总体结构和构造上的考虑，有些设计变量 有一定的范围限制，例如：象鼻梁与臂架的铰点d 相对于其两端铰接点连线 的下垂距离c 一般是预先给定的或为零或为一定的距离，还有人字架顶点鼠 也是或为定点或规定一定范围一2 1 。 2 3 2