（机械工程专业论文）门式起重机门架的有限元分析与结构优化研究.pdf

郑州人学硕士论文 摘要 本课题以有限元法作为结构分析手段，建立了水电站门式起重机关键部件一门架结 构的有限元力学模型，采用有限元分析系统a n s y s 完成了门架结构的有限元分析，并对 其结构方案进行了优化设计。 首先通过对2 8 0 0 k n 门式起重机门架结构特点和受力情况的分析，选择六面体单元 对门架结构进行了网格划分，并进行了载荷分析和约束分析，建立了门架结构的有限元力 学模型。采用a n s y s 软件对门架进行了分析计算，得到了等效应力和位移数据，校验了 门架结构在实际工况下的应力分布和应力集中情况，所得到的数据结果与实测数据相符 合。 利用a n s y s 软件，完成了门架结构的方案优化研究，得到了比较合理门架的结构参 数，降低了其生产成本。 本课题为大型门架结构的分析计算提供了一种精确、可靠的方法，使其设计计算更加 方便、快捷。 关键词：门式起重机，门架，有限元法，a n s y s ，结构优化 郊州人学硕士论文 a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt ob et h em e t h o do ft h es t r u c t u r ea n a l y s i s t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eg a n t r yi sc o n s t r u c t e d ，w h i c hi st h ec r i t i c a lc o m p o n e n to ft h e h y d r o p o w e rs t a t i o ng a n t r yc r a n e t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp a c k a g ea n s y si sa p p l i e dt o a n a l y z et h es t r u c t u r a ls t r e s s a n dd e f o r m a t i o n t h e nt h es t r u c t u r a ls c h e m eo ft h eg a n t r yi s o p t i m i z e d f i r s t l y , t h es t r u c t u r ef e a t u r ea n dl o a dc o n d i t i o no ft h e2 8 0 0 k ng a n t r yc r a n ea r ea n a l y z e d t h es i x f a c es o l i de l e m e n ti ss e l e c t e dt om e s ht h eg a n t r ys t r u c t u r e t h el o a da n dc o n s t r a i n t a n a l y s i sa r ef i n i s h e d 1 1 1 ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eg a n t r yi se s t a b l i s h e d t h ea n s y sp a c k a g e i sa p p l i e di nt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h eg a n t r ya n dt h ee q u i v a l e n ts t r e s s e sa n d d i s p l a c e m e n t sa r eo b t a i n e d n ea n a l y s i sr e s u l t sc a ni n d i c a t et h es t r e s s d i s t r i b u t i o na n d c o n c e n t r a t i o no ft h es t r u c t u r eg a n t r yi nw o r k i n gc o n d i t i o n s i ti sa c c o r d e dw i t l lt h ep r a c t i c a l s i t u a t i o n b y t h ea n s y s s o f t w a r e ，t h es t r u c t u r a ls c h e m eo p t i m i z a t i o no ft h eg a n t r yi sf i n i s h e d t h e c o m p a r a t i v e l yr e a s o n a b l es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d i t sm a n u f a c t u r i n gc o s ti sr e d u c e d t h i st h e s i sr e s e a r c hs u p p l i e sap r e c i s ea n dr e l i a b l em e t h o df o rt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n o ft h el a r g eg a n t r ys t r u c t u r e s i tm a k e st h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o np r o c e s so ft h el a r g es t r u c t u r e s t ob em o r ec o n v e n i e n ta n df a s t e r k e y w o r d s ：g a n t r yc r a n e ，g a n t r y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n s y s ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n n 郑州人学倾t ：v - 位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：柴常谦日期：2 0 0 9 年6 月1 0 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：柴常谦日期：2 0 0 9 年6 月 1 0日 郑州大学硕士论文 l 绪论 1 1 课题来源与意义 本课题来源于2 0 0 7 年黄河水利委员会黄河机械厂与郑州水利机械研究所合作承担的 “福建永安市西门电站2 8 0 0 k n 门式起重机设计、制造 项目( 合同编号为x m h 0 6 - - - 2 ) ， 以及2 0 0 8 年河南省基础研究计划项目“箱形梁结构的拓扑优化设计研究”( 项目编号为 0 8 2 3 0 0 4 1 0 1 7 0 ) 。 现代化水电站工程拥有大型机械设备和高度自动化系统，以保证电站日常高效、安全 运行，其中门式起重机是水电站最重要的设备之一。在水电站防洪、发电过程中，为了在 坝顶上提出坝体门槽内拦污栅、闸门和清污抓斗，门式起重机是水电站的首选起重设备， 它具有起升吨位大、在坝顶上行走的特点。门式起重机由起升机构、小车运行机构、大车 运行机构及门架结构、抓梁等组成，可以实现拦污栅、闸门启闭和在坝面上的转移。 现代化水电站工程建设的发展对门式起重机提出更高的要求，要求其既能实现动态监 控保证完善的性能，又要具有安全性和尽可能轻的重量，它的安全运行对于电站安全生产 和提高作业效率尤其重要。因此，在设计前期对其进行多种载荷组合作用下的分析计算是 非常重要的。门架结构重量通常占门式起重机重量6 0 以上，门架结构的分析计算对于 减轻门机重量和提高门机安全性具有十分重要意义【。 门式起重机门架的设计计算不可避免地要涉及空间结构的超静定问题，加上计算工况 甚多，采用手工计算难以应付如此复杂的分析和繁重的计算工作量，传统的设计计算方法 不得不做出各种各样的简化和假定，计算结果与实际情况有较大的出入，不得不加大安全 系数给予补偿【l j 。采用传统的力学计算，公式繁多，许多参数不够精确，往往依靠简化和 估计，势必造成计算结果的不准确。另外，这种门架结构内部加强筋布置比较复杂，外部 几何形状不规则，很难进行求解计算【2 】。随着计算机技术的发展，过去由于计算过于繁杂 而不能解决的问题，现在藉助于计算机已经不再困难，数值计算尤便于计算机程序的设计， 这就使得数值计算与计算机技术在结构分析中的应用相得益彰【l 】。 有限元方法有其突出的优点：建模方法快捷，计算结果准确【2 j 。有限元方法是把所要 分析的弹性体分割成有限个单元，各单元仅在节点处连接并传递内力，同时连接满足变形 协调条件。外载荷也以节点载荷的形式出现，把所有的外向节点移置，这样将无限自由度 的连续体力学计算转化为有限单元参数的计算，从而完成复杂结构的力学分析。在有限元 法中，通常是以位移法来求解。有限元的计算精度取决于单元的数量和形状。有限元法需 要解决数量很多的线性联立方程，这就必须采用计算机和相应的软件进行求解【3 “l 。采用 有限元分析可以在设计早期确定关键的设计参数，缩短开发周期，降低成本，提高产品质 量。 在现代设计理论和方法中，优化设计无疑占有重要地位。在结构设计的传统方法中， 除最简单的构件设计外，设计人员要首先凭借经验和判断，选择和确定结构方案，初选构 件的截面尺寸，然后进行强度、刚度和稳定性的校核验算。对方案的修改或对为数不多的 郑州大学硕士论文 方案进行比较，同样是校核性的。由于计算工作量庞大，事实上只可能做少量的方案比较， 结构设计的优劣主要依赖于设计人员的水平和经验，即使是优秀的设计人员亦难达到非常 满意的设计。从被动地进行安全校核转变为主动地从各种可能的设计方案中寻找尽可能完 善或是适宜的方案，是结构优化设计所追求的目标【1 1 。要把结构设计人员的精力从繁重的 计算工作中解放出来，把主要精力转到优化方案的选择上，必须依靠计算机和相应专业软 件。 由于各个电站对门式起重机使用要求不同，常常要针对具体的电站来进行设计。因此， 水电站门式起重机的生产具有单件、多品种的特点，这就要求生产厂家应能根据用户的需 求迅速作出反应，设计生产出满足用户需求的产品。采用有限元法对门架结构进行结构分 析，通过改变门架构件截面尺寸及结构型式，设置门架质量为目标函数进行门架结构优化 设计的研究，可以大大加快产品的开发速度，提高投标中标率，缩短设计时间，为企业赢 得更好地经济效益。 本课题以有限元法作为结构分析手段，建立水电站门式起重机关键部件门架结构 的有限元力学模型，采用有限元分析系统a n s y s 对其进行结构分析，完成门架结构的静 强度、刚度计算，并以门架为研究对象进行结构优化设计研究，将为大型门架结构的设计 计算提供一套较为完整的设计方法和设计系统。课题研究将为水电站门式起重机的设计提 出一个新思路和新方法，使其设计更加系统、精确、快捷，对于提高水电站门式起重机的 设计水平具有较高的理论意义和应用价值。 1 2 课题研究的国内外现状与进展 1 2 1 国内门式起重机设计现状 目前，门式起重机设计仍采用两种方法：许用应力法和极限状态法。许用应力 法是将组合后的载荷在零件或构件中产生的应力与零件或构件类型和具体条件所确 定的许用应力进行比较，许用应力的选用以使用经验为基础，保证零件或构件抗屈 服、抗疲劳、抗弹性失稳的能力有一定裕度【l 】。许用应力法是目前门式起重机设计计 算主要方法。极限状态法是在各种载荷在组合之前把部分载荷系数加以放大，并与 由屈服或弹性失稳条件所规定的极限状态进行对比。每种载荷的部分载荷系数均以 概率和载荷确定的精度为依据。极限状态可以得到有效的设计，并广泛用于金属结 构设计和承载能力验算。 国内的设计院和企业普遍采用的是许用应力法。许用应力法是让外力作用产生的最大 应力小于许用应力，因此对门架结构内力分析准确性在很大程度上决定了门架的设计重 量。门架是一个不对称的空间刚架，超静定次数高，各部分力学关系复杂，精确分析其内 力比较困难。在工程设计中，普遍采用的方法是根据门架的结构特点，将其简化为门架平 面框架、支腿平面框架和上部结构水平框架三个平面力学模型，按材料力学方法计算内力， 在实际设计中又较多地采用铰接点假设以降低超静定次数【5 】。这种设计方法没有考虑门架 整体的空间受力效应和刚结点传递弯矩的性质，其力学模型与实际结构存在较大差异，使 4 郑州大学硕士论文 计算结果远大于结构实测结果，从而导致设计保守，这是导致门机自重过大的直接原因。 由于水电站门式起重机具有起吊吨位大、高扬程的特点，往往使得门式起重机 自重大、造价高，业主一般通过招投标确定合适的承包商。随着我国市场的开放， 许多国外同类产品生产商参与国内投标，而他们的设计方案重量轻、结构合理，又 广泛应用了新技术，在国际市场具有较强的竞争力，其门架结构设计采用有限元分 析，并进行了优化设计。由于进口一台门式起重机设备，考虑运费因素，价格相对 昂贵，即使水电站工程因国际招标要求进口，外国公司也往往是提供技术，将钢结 构部分分包国内厂家制造。另外，由于各个电站对门式起重机使用要求不同，常常 要针对具体电站来设计。为满足水电站工程建设的需要，提高门式起重机的设计水 平，国内一些设计院、研究所和企业加紧学习国外先进技术，提高在国内外市场产 品的竞争力。 1 2 2 课题研究的国内外现状 随着计算机技术的发展，工程设计领域在设计方法和技术创新方面有了巨大的发展和 进步，这也大大推动了现代工程领域的技术进步和创新。优化设计就是其中发展最快的设 计方法之一。 优化设计是二十世纪六十年代初发展起来的一门新兴学科，它将数学中的最优化理论 与工程设计领域相结合，使人们在解决工程设计问题时，可以从无数设计方案中找到最优 或尽可能完善的设计方案，大大提高了工程的设计效率和设计质量。目前，优化设计是工 程设计中的一种重要方法，广泛于各个工程领域航空航天、机械、船舶、交通、电子、 通讯、建筑、纺织、冶金、石油、管理等，产生了巨大的经济效益和社会效益。特别是由 于现代国家、地区和企业之间的激烈竞争，各种原材料、能源的短缺，优化设计越来越受 到人们广泛的重视，并成为2 1 世纪工程设计人员必须掌握的一种设计方法。 1 9 6 0 年，现代结构理论的奠基人l a s c h m i t 首先将有限元素法与数学规划法相结合， 处理多种载荷情况下弹性结构的最小重量问题1 6 j ，从而形成了现代结构优化的基本思想。 随后，数学规划方法在结构优化设计领域得以迅速发展，几乎所有的数学规划方法都被用 来求解结构优化问题，复形法、序列线形规划法、可行方向法、罚函数法都是采用的较多 的方法。数学规划方法在解决中小规模的工程结构优化问题所取得的成就，使得该方法受 到工程设计人员的重视，因为它理论基础很强，通用性好，能够处理不同性质的优化问题。 但是对于大型结构系统，由于有限元模型的设计变量增多，结构分析次数剧增，优化的效 率不高，因而影响这种单纯的数学规划法在工程实际中的进一步推广和应用。此时，优化 准则法应运而生。这种方法是在1 9 6 8 年由p r a g e 7 】和v e n k a y y a 8 1 等人提出的，它提高了优 化问题的求解效率。准则法最为突出的特点是迭代次数或结构分析次数与设计变量数目无 关，因而效率较高，且程序编制简单，很受工程晁的欢迎。从6 0 年代末到7 0 年代前期， 结构优化方法研究的主要进展是在准则法方面。7 0 年代中期，准则法有了新的发展，出 现了基于k u h n t u c k e r 条件的理性准则法，在建立准则的过程中以k u h n t u c k e r 条件作为 郑州大学硕士论文 最优结构应满足的准则，使准则方法达到了更高的水平。优化准则法和数学规划法相比， 最大的优点是收敛快，结构分析的次数较少，对大型结构的优化设计有重要的意义。但是 准则法的不足之处也是明显的：收敛速度较慢；不一定精确的收敛于最优解；很难 进行严格的数学证明。 针对上述数学规划法和优化准则法存在的问题，数学工作者和工程结构设计人员都开 始注意取长补短，2 0 世纪7 0 年代，这两种方法出现互相融合的趋势，其代表方法是由f l e u r y 和s c h m i t 提出的近似概念【9 】。这种方法是将力学概念和各种近似手段相结合，近似问题与 数学规划法结合，极大地提高了规划方法的优化效率，被公认为是求解结构优化问题的最 有效的途径。1 9 8 0 年前后，f l e u r y 和s a n d e r d 提出了广义最佳准则以及用对偶公式求解结 构优化问题【i 4 1 。接着，f l e u r y 和s c h m i t 将非线性规划的对偶理论与近似概念相结合，提 出了结构优化的对偶方法。对偶方法极大地改善了规划方法的寻优效率，解决了准则法常 因不能合理判断临界约束而影响收敛的毛病。对偶方法是规划方法和准则方法的统一。 1 9 8 3 年开始，p r a s a d 提出了结构优化问题的近似性、适应性和自动化概念弘1 6 1 ，建议在优 化过程中的不同阶段选取不同的变量空间进行约束函数近似展开。1 9 8 4 年夏，夏人伟等 利用目标函数约束函数二阶t a y l o r 展开构造近似函数，并利用对偶方法求解近似问题，提 高了近似函数的精度【r 7 1 。1 9 8 7 年，f l e u r y 也利用二阶信息建立了可用对偶方法求解的近似 问题【l 引，该方法线性化约束函数，目标函数用拉格朗日函数的非完全二阶近似。同年， h a f t k a 提出了两点投影法和三点投影法【1 9 】，利用函数在两点或三点的函数值及其一阶导数 值，导出了两点和三点的函数逼近多项式。黄季樨和夏人伟提出一种含自适应能力的结构 综合方法【2 0 1 ，由“预报公式”确定适当变量空间，在该变量空间内对约束函数一阶t a y l o r 展开，形成了一套动态的约束近似模式。1 9 9 0 年，黄海和夏人伟提出了一种基于多种信 息的二阶近似结构优化方法【2 。 经过1 0 0 余年，特别是近5 0 年的发展，结构优化设计已经广泛应用到各种工程领 域，并取得了巨大的成功，创造了巨大的经济效益，并推动了工程设计方法与技术的发展。 结构优化设计是优化方法在结构设计中的应用。其目的在于寻求既安全又经济的结构 形式，而结构形式包括了关于尺寸、形状和拓扑等信息。按照其发展的顺序和难易程度分 为五个层次：截面( 或尺寸) 优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和类型优化。目前结构 构件截面优化已比较成熟，但对于结构形状、拓扑和布局等更高层次的结构优化设计问题， 进展相对缓慢。和截面优化相比，其设计空间维数升高了，因而会得到更优的目标函数值， 获得更大的收益。结构优化设计也使得计算力学的任务由被动的分析校核上升为主动地设 计与优化，由此结构优化也具有更大的难度和复杂性。它不仅要以有限元等数值方法作为 分析手段，而且还要进一步计算结构力学性态的导数值。因此，结构优化设计是一综合性、 实用性很强的理论和技术。 机械结构优化设计中的许多关键技术与理论对机械结构优化设计的发展和应用起着 十分重要的作用，其中的主要关键技术与理论有：机械结构优化设计的思想和理论；优化 6 郑州大学硕士论文 方法；建模技术；结构分析技术；结构重分析技术；敏度分析技术；软件开发技术。 目前，机械结构优化设计的研究与开发主要集中在这几个方面，不断有新的理论、方 法与技术出现，也有一些其他学科的相关知识和新理论被引入结构优化设计，并且大大拓 宽了该方法的应用领域和范围，机械结构优化设计逐步成为种比较成熟、可靠、高效的 现代设计方法之一，应用范围和领域同益广阔。机械结构优化设计领域研究的热点问题有 以下几个方面i z 引。 1 、结构拓扑优化设计： 过去一般机械结构优化设计主要集中在结构参数的优化和设计，而对于机械零部件的 拓扑结构很少涉及机械产品的结构拓扑优化设计。1 9 8 5 年，m p b e n d s o e 和n k i k u c h i 将均匀化方法应用于连续体的结构拓扑优化，推动了连续体结构的拓扑优化发展。同时， 连续体结构的拓扑优化已经从平面问题扩展到板壳和三维连续体问题。另外，一些新的方 法，如生物生长模拟法、密度法、泡泡法等，被提出并得到应用。目前，结构拓扑优化方 法也己被工业界所接受，例如f o r d 公司等正在加快研究步伐，推出了一些应用的实例。 机械结构拓扑优化将把结构优化推到一个新的、更高的产品设计层次 2 2 1 。 2 、结构形状优化： 在机械零部件中，连续体结构非常多，形状比较复杂，结构分析存在一定的难度，而 结构形状对机械零部件的性能影响很大。因此，机械零部件的结构形状优化可以大大提高 其性能。2 0 世纪8 0 年代开始，机械行业开始兴起结构形状优化的研究，h a f t k a 2 3 - 2 5 1 、d i n g 和h a s s a n i 进行了综述，国内外出现了许多该方面的研究成果，伊莉、钱惠林、林桥等研 究了压力容器部分的结构形状优化设计；陈汝训、张东旭等研究了航空器部分零部件的结 构形状优化；s c h w a r z 研究了对应于弹塑性结构响应的拓扑与形状优化；等等。灵敏度分 析是结构形状优化的关键之一，程耿东【2 6 】和h a f t k a 同时提出了半解析法，并被普遍采用。 机械结构的形状优化也是提高零部件机械性能的重要方法之一。 3 、结构优化算法： 优化算法的研究一直是优化设计的重要研究领域，特别是机械结构优化设计中一般零 部件的结构分析非常复杂，有限元分析需要很长的计算时间，优化迭代次数很多。因此， 机械结构优化设计对优化算法要求很高，主要要求优化算法具有强收敛性、高可靠性、稳 定性等，研究人员不断地进行优化算法的发展和改进。 4 、多学科设计优化( m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o n ，简称m d o ) ： 过去的机械结构优化设计一般主要集中在某个零部件上，或者只考虑某一个性能或学 科的影响，因此造成结构优化设计的结果不理想，甚至互相矛盾，这就使结构优化设计必 然走向系统和总体的再优化设计多学科设计优化( m u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g n o p t i m i z a t i o n ，简称m d o ) 。许多结构优化设计的专家学者正在进行m d o 的研究，发表了 大量研究论文和报告。随着计算机性能的快速提高和人们对产品性能要求越来越高，以及 机械系统复杂程度的提高，m d o 为机械结构优化设计开辟了新的研究领域【2 2 1 。随着机械 7 郑州人学硕七论文 产品动态特性越来越重要，机械结构的动态特性优化设计也是结构优化设计的一个重要方 向。 优化设计是一种“综合，它要综合各方面的因素、要求和约束，以产生一个尽可能 理想和满意的设计方案，显然其复杂和困难程度要比单纯的分析大得多，计算工作量有量 级上的差别，需要有高速、大容量的计算机和完善的软件支持，才能取得成效。 近些年来，随着结构优化设计研究的深化，结构优化的应用软件有了很大的发展，其 中，一类是专门研制的结构优化软件，如a c c e s s ，d d d u ，o a s i s ，s a p o p ，a s t r o s ， g e n e s i s ，c a o s 等【2 。；另一类是利用现有的商品化的有限元分析软件扩展成结构优化软 件，后者体现了将结构有限元分析、结构优化设计和计算机辅助设计一体化的发展趋势。 由于大部分已商品化的有限元软件只提供结构在外力作用下的响应而不能给出响应对设 计变量的灵敏度，因此开发工作正沿着两个方向进行：一是设法避免使用灵敏度，结合结 构优化问题的力学特性改进不使用灵敏度的算法，a n s y s 就是沿此方向扩展了优化功能； 二是改进灵敏度计算方法，提高灵敏度计算的效率和精度，在商用有限元软件中扩展灵敏 度分析功能，其代表有大型有限元分析系统m s c n a s t r a n 2 8 j 等。目前，尚没有一种优 化方法能够解决所有的或大部分的优化问题，而是一种方法只能针对某一种特定的工程问 题，自然开发的程序也只能解决这种问题，提供的最优解或最优设计只是一个相对的最优 结构，仅仅是在特定的约束与评价函数下才是最优的。可实际工程结构，往往十分复杂， 涉及各种因素( 环境、荷载、几何特性、材料、施工、费用等) ，受多方面条件的制约，所 以，大部分的优化应用程序的应用范围都比较窄。 起重机的优化设计是改变过去类比设计方法的一条有效途径，经过对过去已有结构进 行再优化设计后，其所得结果与现有方案相比重量可减轻1 5 左右。近年来，我国西南 交通大学、大连理工大学、太原理工大学、上海交通大学在这方面都做过一些研究和相应 软件开发工作，如西南交通大学所编制的龙门起重机金属结构系统设计软件，可用来对双 梁u 型、o 型、八字腿型龙门起重机和单主梁c 型龙门起重机进行优化设计。起重机优 化设计首先是根据设计所要追求的指标，以及各种结构、工艺、强度、刚度、稳定性等一 些技术性能方面的限制条件，建立其优化设计的数学模型。优化设计算法多种多样，对于 起重机结构优化设计这类复杂问题，求解其众多约束函数的导数并非一件容易的事，比较 有效的作法是采用扩展惩罚函数法，用于解决如钢板厚度这类不连续非线性混合离散整数 优化问题【l j 。 起重机金属结构系统优化设计一般以使结构系统的重量最轻为指标来建立目标函数。 通常情况下，起重机金属结构的重量能体现出机器设备的制造成本。门式起重机金属结构 的重量一般由以下几部分组成：主梁的重量，支腿的重量，上端梁的重量，中横梁的重量 及下横梁的重量，采用加权组合法将以上几个重量目标函数组合成统一的目标函数，再按 照现行计算方法及规范中规定为依据建立约束条件；使结果能全面地满足强度、刚度、稳 定性以及制造工艺等方面的要求【2 9 j 。 郑州大学硕七论文 以上优化方法仍存在算法单一、通用性差、优化效率低，当前流行面向对象技术建立 优化类模型库和优化方法库，采用先进的组合优化策略，建立基于组合优化算法的计算机 模型，在不同语言环境下实现软件开发1 3 0 l 。采用面向对象技术，用类、对象、封装来实现 算法结构，使优化程序更有通用性，改变以前一对一的优化方式，提高算法的复用性；优 化时可采用不同组合优化算法策略，主要有串行、嵌套、并行等，从而克服了单一优化方 法陷入局部最优的概率较高，耗时多，不收敛等不足【25 l 。目前对起重机金属结构系统优化 设计主要处于静态分析，对这种大型复杂结构进行动态优化设计就更加困难。但是随着起 重机金属结构系统动态特性越来越重要，对其进行动态优化设计将极富研究价值和应用价 值。 国外起重机的研究从未间断过，其起重机设计、制造业具有如下发展趋势：( 1 ) 简化 设备结构，减轻自重，降低生产成本；( 2 ) 更新零部件，提高整机性能；( 3 ) 设备大型化； ( 4 ) 机械化运输系统的组合应用；( 5 ) 数据总线管理系统；( 6 ) 模块单元化设计；( 7 ) 控制 元件的研发。我国起重机新技术应用很多，取得显著的社会效益和经济效益，但与国外先 进技术相比还存在较大差距，仍需做大量的研究和推广工作。因此，我国起重机行业必须 研究世界起重机的发展趋势，学习国外先进技术，提高我国起重机的整体水平。 1 3 本文的主要研究内容 本文将以福建永安市西门电站2 x 8 0 0 k nf - j 式起重机设计为对象，以有限元法作为 结构分析手段，建立水电站门式起重机关键部件门架结构的有限元力学模型，采用有 限元分析系统a n s y s 对其进行结构分析，完成门架结构的静强度、刚度计算，并以门架 为研究对象进行结构优化设计研究，为大型门架结构的设计计算提供一套较为完整的设计 方法和设计系统。 本文主要的主要研究内容包括： l 、采用有限元法作为结构分析的手段，研究门架结构设计计算的一些关键技术和方法， 探讨其结构优化设计问题，为水电站门式起重机关键部件的设计计算提供了一种新思路。 2 、以2 x 8 0 0 k nf - j 式起重机设计为研究对象，研究单元类型选择、网格划分、载荷处 理等问题，分析确定门架的载荷情况、约束条件等，建立门架的有限元力学模型。 3 、以a n s y s 软件为分析工具，建立门架在a n s y s 中的有限元分析模型，完成了其结 构的分析计算，得到比较合理的分析结果。分析计算结果与实际情况相符。 4 、通过门架的有限元分析，在满足门架的静强度、边界约束等条件下，选择几种合理 的门架结构方案，并从几种方案中确定一个较优的门架结构模型，完成门架的结构方案优 化。 9 郑州人学硕士论文 2 门式起重机的设计计算 2 1 设计依据 2 1 1 合同主要技术条款 本机的基本参数与技术要求按照福建省永安西门水电站移动式启闭机招标文件( 合 同编号：x m h 0 6 - - 2 ) 中的技术条款执行p ”。技术条款包括专用技术条款和通用技术条 款，在专用技术条款中对门机安装地点( 安装于溢洪道坝面1 4 20 0 m ) 、用途、技术参数、 操作方式、门机两吊点同步运行、风载荷、保护装置、司机室与闸门位置、自动抓梁配置 等提出了要求；在通用技术条款中对引用标准、运行环境条件、材料、机构及零件、安全 检测装置、电气、工厂组装条件、防腐等提出了要求。 2 1 2 技术规范及技术标准 1 、s l 4 1 - 9 3 水利水电工程启闭机设计规范吲： 2 、g b 3 8 i1 - 8 3 起重机设计规范j ； 3 、d l t 5 0 1 9 9 4 水利水电工程启闭机制造、安装及验收规范； 4 、s d 3 15 - 8 9 周定卷扬启闭机技术条件 ； 5 、s d 6 0 6 7 ，8 5 起重机安全规范删； 6 、起重机设计手册和国家其它相关标准。 2 2 用途 2 8 0 0 k n 门式起重机用于起吊永安电站进水口检修门、溢洪道检修门、拦污栅的启 闭及污物清理，以及弧门启闭机的安装与检修。 2 3 门式起重机组成与结构 3 1 - 3 6 】 机房2 小车运行机构3 起升小下4 门架5 司机盅6 起升机构7 梯于8 车运行机构 图2 12 x 8 0 0 k n 门式起重机简图 1 0 let 郑州人学硕士论文 门机的外形及结构见图2 一l ，该门机由小车、门架、大车运行机构、司机室、电气 系统、自动夹轨器、铆定装置及进水口机械抓梁、溢洪道机械抓梁、拦污栅机械抓梁、清 污抓斗等组成，同时小车内还设有专供设备检修用的电动葫芦。 2 3 1 起升小车 起升小车主要由起升机构、运行机构、机房、检修吊组成。 1 、起升机构 起升机构起升力为2 8 0 0 k n ，用于起吊永安电站进水口检修门、溢洪道检修门、拦 污栅的启闭及污物清理，以及弧门启闭机的安装与检修。起升机构的起升扬程为4 5 米， 为满足这一起升扬程的要求，该起升机构采用折线式卷筒，卷简直径为1 2 米，滑轮倍率 为6 ，其钢丝绳偏摆角度均控制在规范要求以内，保证钢丝绳的整齐排列，并且在轨面以 下的起升高度内，钢丝绳均在卷筒的第一层缠绕，保证了门机的可靠运行。在起升机构上 装有载荷限制器、闸门开度仪和主令控制器，用于检测和控制起升机构的运行。装于司机 室内的显示仪表，可显示起升机构的起升载荷，并可显示闸门开度的大小。在起吊液压清 污抓斗进行清污时，闸门开度仪还可以指示清污抓斗的运行深度，使司机能方便的进行清 污的工作。 起升机构的电动机为y z r 型起重机专用电机，该电动机启动力矩大，过载能力强。 通过对电机转子电路串入电阻，可以在一定的范围内对电机进行恒扭矩调速，以满足提升 闸门和清污不同速度要求的需要。起升机构通过两个串接在一起的电机，经两台q j 型中 硬齿面减速机，驱动开式齿轮带动卷筒运转，进行起升或下降的作业。起升机构中采用 y w z 5 型电动推杆制动器，该种制动器制动力矩调整方便，工作可靠。 2 、小车运行机构 小车的运行机构通过电机、立式减速器采用集中驱动。由于立式减速器采用的是自动 喷油润滑，使减速器的齿轮处于良好的润滑状态，噪音较小，使用性能良好。通过对小车 绕线电机的转子串入电阻进行调速，可使小车低速接近工作工位。 3 、机房与检修吊 机房采用组装结构，各侧壁及屋顶间均用螺栓连接，拆装方便，内部设有专供检修用 的电动葫芦和照明灯，以及灭火器等。为便于起升机构的检修，在机房内设有1 5 k n 检修 吊。为便于起升机构的大修，机房做成可折卸的装配式机房，起升机构大修时，可将机房 临时折除。在机房的项部设有风速仪，当风速超过允许的最大工作风速时，风速仪会发出 报警信号，以确保门机安全的工作。 2 3 2 大车运行机构 大车轨矩1 0 米，基距1 2 5 米，由8 个台车1 6 个车轮组成，最大轮压为5 8 0 k n ，采用 四角分别驱动。驱动装置采用三合一减速机驱动，该减速机结构紧凑，运行可靠、平稳， 拆装维修方便。 2 3 3 司机室 郑州火学硕士论文 司机室采用板块式拼装结构，各视窗均采用钢化玻璃，在司机室两侧面及前视窗部， 装有铝合金活动拉窗，清洗玻璃十分方便，司机具有良好的视野，司机室内装有保温层， 以保证室内温度不会太高。司机室内部设有冷暖空调及灭火装置。司机室内还设有联动操 作台，其上装有各机构的操作手柄、按钮、信号灯、主令开关等，并装有闸门开度仪、负 荷限制器等各种仪表。使设备的操作人员能方便的对设备进行操作。 2 3 4 夹轨器 夹轨器采用t z j 1 0 自动夹轨器。当风速超过工作风速时，夹轨器便自动切开电源、 夹紧轨道，使用安全可靠。 2 3 5 门架 门架的梁体采用箱型梁结构，材料选用q 2 3 5 b 。门架结构计算要求进行应力、应变分 析，门架的强度、刚度及稳定性要满足设计规范要求。门架主梁在最不利载荷组合下，跨 中垂直静绕度、最大应力和最大水平位移均应满足设计规范要求。门架按运输单元制作， 各单元间采用高强螺栓及连接板连接，门腿与行走梁间采用螺栓连接，主梁与门腿间采用 工地焊接，梁头与各梁的连接焊缝要求等强度连接，使焊缝强度不低于母材。 门机的最大件为门架上平台的主梁，该件的长度为1 8 6 米，该件的重量为1 6 3 吨。 该门式起重机门架的主要结构与参数如图2 2 所示。 上 一f m n 巧 一一2 一ltlm z 皿0 0 3 。i ，登 司。 一 ， ：曼：，_ + 一 i 1 ： 萄 爿t 、o m a 0r j1 6 a ￥ 孟 眦 商d c 、 ! 细d 枷 趟霉器 f 制 -_- _ 。l 互 i一 ， 善 彳 暑l 8 j - _ - p _ 。 7 f l ； 一 8 哩 ，7 d 一 列 il ：j_ 跚 t地叫 嗣日 n 曲d 1 前端梁2 道轨3 后端梁4 主梁5 前上横梁6 后上横梁7 门腿8 底横梁 图2 1门架的主要结构与参数 1 2 郑州大学硕士论文 2 4 主要技术参数 3 1 - 3 6 】 表2 一l 主要技术参数 初 g t 项构 主起升机构 项- l 构 大车运行机构小车运行机构 目目 额定启门力 2 x 8 0 0 k n 运行吊重 1 1 0 0 k n1 1 0 0k n 起升高度轨一 1 5 m 3 0 m 运行速度 2 0m r a i n7 4 6 m m i n 轨下 起升速度 1 9 7 m m i n 轨距 1 0 m1 1 3 m 工作级别 q 2 一轻 基距 8 m3 m 卷简直径 1 2 0 0 m m 车轮直径 7 0 0m m 7 0 0 m m z b b2 66 x 3 6 s w + 工作级别 q 3 中 q 3 - 中 钢幺幺绳 i w r 1 6 7 0 轨道型号q u l 0 0q u l 0 0 滑轮倍率 6 最火轮压 5 8 0 l ( n5 6 0k n 吊点距 8 7 车轮数量 84 电 型号 y z r 2 2 5 m 一6 ( 2 台) 电型号y z r e 6 0 l 6 ( 4 台) y z r l6 0 l 6 动 功率 3 4 k w 动功率 1 1k w1 1k w 上作制 j c 2 5 机工作制 j c 2 5 j c 2 5 机 转速 9 5 7 r m i n转速 9 5 0r m i n9 5 0 r m i n 减 型号q j r s - d 4 0 0 5 0 减型号 q s c 2 5 9 0 ( 4 台) z s y d 3l5 2 8 0 一i x 速 速比 5 0 速 速比 9 02 8 0 器器 制 型号 y w z 5 - 3l5 8 0y 、睨5 2 0 0 2 3 制型号 动 力矩 6 3 0 1 0 0 0 n m 动 制动 4 0 0 1 1 2 2 2 4n m 器器 力矩 2 5 门架的受力分析与计算【3 卜3 6 1 2 5 1 载荷计算 1 、固定载荷p g a 结构自重通过输入门架构件质量密度由程序自动计算； b 按各工作位置，要求额定启f - j ：0 ：2 8 0 0 k n ；2 5 0 0 k n ；2 x 4 5 0 k n ：2 2 5 0 k n ； c 机房、围栏等重量忽略不计。 2 、移动载荷p t a 当门机工作时，移动载荷如表2 2 所示； 表2 1 移动载荷的数值 名称 重量( k n ) 起升小车自重p t l6 6 0 运行吊重p t d 11 0 0 ；1 7 0 ( 在悬臂处) b 按各计算工况，移动载荷以轮压载荷形式分别作用在以下五个不同计算位置，如 表2 3 所示； 郑州大学硕士论文 表2 1 移动载荷在不同工况下的位置 代号起升小车位置 1 在2 x 8 0 0 k n 额定启门力位置 2 在门架中间位置( 带运行吊重1 1 0 0 k n ) 运行 3 在2 x 5 0 0 k n 额定启门力位置 4 在2 x 4 5 0 k n 额定启门力位置 5 在2 2 5 0 k n 额定启门力位置 6 在2 x 2 5 0 k n 额定启门力位置( 带运行吊重1 7 0 k n ) 3 、惯性载荷p h 3 3 1 a 起升小车起制动惯性力p h l p h l = ( p t l + p t d ) x v s x a x ( 2 1 ) 其中，、i ，5 一系数，考虑小车运行机构驱动力( 制动力) 突加及突变时结构的动力效 应，取1 5 ； a r 起制动加速度，按小车运行速度和起重机低、中、高速类型取值，查起 重机手册取0 0 6 4 m s 2 【1 】； 据此算出移动载荷的起升小车起制动惯性力，并以集中载荷形式作用在相应面上， p h l = 16 8 9 6 ( k n ) 。 b 大车起制动惯性力p h o 【3 3 】 p h g = p o x a z x 、i s + ( p t l + p t d ) x a z x 、i ，s ( 2 2 ) 其中，、i ，5 系数，考虑大车运行机构驱动力( 制动力) 突加及突变时结构的动力效 应，取1 5 【l 】； a z 起制动加速度，按大车运行速度和起重机低、中、高速类型取值，查起重 机手册取0 0 9 8 m s 2 【1 】； 据此算出各种载荷的大车起制动惯性力，移动载荷因大车起制动而产生惯性力以集中 载荷作用在相应面上， ( p t l + p t d ) x a z x 、i s = 2 5 8 7 2 ( k n ) 。 门架分布质量因大车起制动产生惯性力，通过输入大车起制动加速度而由程序自动生 成。 4 、风载荷p w 【3 3 1 p w = c k h q a ( 2 3 ) 其中，c _ 风力系数，用以考虑受风结构物体型、尺寸等因素对风压的影响，取c = 1 6 ； k h 一风力高度变化系数，取酶。= l 【1 1 ； q 计算风压( n r d ) ； a 起重机或起吊物品垂直于风向的迎风面积； 工作风载荷按风速2 0 m s ，即风压q = 2 4 0 n m 2 计算，非工作风载荷按4 0 m s ，即风压 1 4 郑州大学硕士论文 q - 8 0 0 n m 2 计算。风压按体形及g b 3 8 1 1 8 3 起重机设计规范中相关的部件的风力系数要求 来计算，然后以面力形式加在相应构件上，门架在受风载时要考虑前片对后片挡风作用， a = a 1 + 1 1 a 2 取q = 0 1 ，a i = a 2 ，为简化加在单侧面上即可。 5 、偏斜运行时的水平侧向力p s 3 3 】 1 a s = - r 九 ( 2 4 ) 式中，r 起重机产生侧向力一侧最大轮压之和； 卜水平侧向力系数，与起重机跨度l 和大车轮距b 之比有关； a 起升小车偏斜力p s z 三：塑旦：3 4 6 8 8 ，护o 1 5 b3