（机械工程专业论文）履带式下舱起重机吊臂的优化设计研究.pdf

摘要 近年米，随着我国港口的建设和发展，件杂货码头的装卸能力得到不断提升。 履带式下舱起重机作为件杂货码头的专用下舱设备，其性能和结构也要求适应港 口发展的需要。吊臂作为履带式下舱起重机的关键部件，其设计的好坏是决定整 机性能和成本的关键因素。吊臂除了要具备足够的强度和刚度，还要足够轻巧。 而通过优化设计来减轻吊臂的自重则是提高其经济性，节约成本的主要方法。 本文以h c 3 0 0 d 履带式下舱起重机的吊臂作为研究对象，在论述了优化设计 理论和有限元方法的基础上，对履带式下舱起重机的吊臂进行结构分析，基于 a n s y s 有限元分析软件建立了吊臂的有限元模型，并对其进行结构静力分析和 模态分析，获得了危险工况下吊臂的应力分布和变形分布，分析结果表明吊臂满 足强度和刚度的设计要求。接着选取吊臂截面的宽度和高度两个尺寸为设计变 量，以满足吊臂的强度和刚度为约束条件，吊臂的体积最小为目标函数，运用 a n s y s 的二次开发语言a p d l 完成了吊臂的参数化建模，对吊臂的截面尺寸进行 了优化。通过对优化结果进行强度和刚度校核验证了优化结果的合理性。 本文的研究工作实现了履带式下舱起重机吊臂的有限元分析及优化设计，优 化后的吊臂自重更轻，结构更加合理，为设计人员改进和优化吊臂的结构提供了 依据。 关键词：吊臂履带起重机有限元分析a n s y s 优化设计 i nr e c e n ty e a r sw i t ht h ec o n s t r u c t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h ep o r t si no u rc o u n t r y , g e n e r a lc a r g ot e r m i n a l sh a v em a d ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n t si nt h e i rl o a d i n ga n d u n l o a d i n ga b i l i t i e s a st h es p e c i a ll o w e rd e c ke q u i p m e n tf o rg e n e r a lc a r g ot e r m i n a l s ， c r a w l e rt y p el o w e rd e c kc r a n e sa r ea l s o r e q u i r e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e d e v e l o p i n gp o r t sf o rt h e i rc a p a b i l i t i e sa n ds t r u c t u r e s 。t h eb o o mi st h ek e yp a r tf o ra c r a w l e rt y p el o w e rd e c kc r a n ea n dw h e t h e ri ti sd e s i g n e dw e l li st h ec r u c i a lf a c t o rf o r t h eo v e r a l lf u n c t i o n sa n dc o s t so ft h em a c h i n e b e s i d e st h ep o s s e s s i o no fe n o u g h s t r e n g t ha n dr i g i d i t y , t h ec r a n eb o o mn e e d sa l s ot ob el i g h ta n dd e x t e r o u se n o u g h w 1 1 i l et or e d u c et h ew e i g h to ft h ec r a n eb o o mi t s e l ft h r o u g ho p t i m a ld e s i g ni st h e m a j o ra p p r o a c ht oe n h a n c ei t se c o n o m ya n dr e d u c et h ec o s t s i nt h i sp a p e r , t h eh c 3 0 0 dc r a w l e rt y p el o w e rd e c kc r a n eb o o mi st h er e s e a r c h o b je c t ，b a s e do nt h eo p t i m i z e dd e s i g nt h e o r ya n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h es t r u c t u r eo ft h ec r a w l e rt y p el o w e rd e c kc r a n eb o o m ，e s t a b l i s h e sf i n i t e e l e m e n tm o d e lo nt h eb a s i so fa n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n dc o n d u c t s t h es t a t i ca n a l y s i so ft h es t r u c t u r e sa n dm o d a l a n a l y s i so ft h eb o o m ，s ot h a tt h i sa r t i c l e o b t a i n st h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o no ft h eb o o mu n d e rd a n g e r o u sw o r k i n g c o n d i t i o n s t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i ss h o wt h a tt h eb o o ms a t i s f yt h ed e s i g n i n g r e q u i r e m e n t sf o rs t r e n g t ha n dr i g i d i t y a f t e rt h a t ，t h i sa r t i c l ec h o o s e st w o m e a s u r e m e n t sf o rt h es e c t i o no ft h eb o o m ，t h ew i d t ha n dt h eh e i g h t ，a st h ev a r i a b l e s f o rt h ed e s i g n ，t a k et h er e q u i r e m e n to fs t r e n g t ha n dr i g i d i t yf o rm eb o o ma st h e c o n s t r a i n t sa n dt h em i n i m u mv o l u m eo ft h eb o o ma st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，a c h i e v e s t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ep a r a m e t r i c m o d e l i n g o ft h eb o o mw i t ha p d l ，t h e c u s t o m i z i n gl a n g u a g eo fa n s y s ，a n do p t i m i z e st h em e a s u r e m e n t sf o rt h es e c t i o no f t h eb o o m t h er e a s o n a b i l i t yo ft h eo p t i m i z e dr e s u l t si s a p p r o v e db yc h e c k i n gt h e i n t e n s i t ya n dr i g i d i t y t h er e s e a r c h i n gw o r ko ft h i sp a p e rr e a l i z e st h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n d o p t i m i z e dd e s i g no ft h eb o o mo ft h ec r a w l e rt y p el o w e rd e c kc r a n ea n dt h eo p t i m i z e d b o o mi sl i g h t e ri nd e a d w e i g h ta n dm o r er a t i o n a li ni t ss t r u c t u r e ，w h i c hp r o v i d e st h e d e s i g n e r sb a s i sf o ri m p r o v i n ga n do p t i m i z i n gt h es t r u c t u r eo fb o o m k e y w o r d s ：b o o m ，c r a w l e rc r a n e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n s y s ，o p t i m a l d e s i g n i i 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 国内件杂货码头舱内作业机械的现状 随着港口的建设和发展，港口码头装卸能力不断提升。港口码头按照装卸货 类可分为：集装箱码头、件杂货码头、散货码头。件杂货通常是指有包装或无包 装的散件装运货物，如钢材、卷铁、盘条、木材、设备等。件杂货舱内作业由三 个工序组成：甲板下拆垛或堆垛；将货物从船舱深处移到舱口直下方或相反；将 货物组成货组，准备起吊。据统计，件杂货舱内作业所耗费的工时占装卸船舶总 工时的3 5 4 0 。由此可见，提高舱内作业效率是提高船舶装卸整条作业线效 率的主要因素。 为了提高舱内作业的效率，普遍采用舱内作业机械( 又称下舱机械) 。使用 舱内作业机械装船作业时，装卸船舶机械先将货物吊到舱口正下方，再用舱内作 业机械将货物送到船舱内部堆成货垛；卸船作业顺序与之相反。舱内作业机械的 技术性能与作业指标对件杂货的作业效率起到至关重要的作用【l 】。由于船舱结构 的特殊性，件杂货专用的舱内作业机械要求是外形尺寸小、自重轻、灵活、机动 性好的多功能机械。 目前，国内件杂货码头所使用的舱内作业机械主要有叉车、轮胎起重机、挖 掘机。 叉车，又名铲车，是装卸搬运机械设备之一。使用叉车在舱内作业，其车作 业幅度小，提升高度小，作业货类有限，而且作业范围内均要铺设钢板，辅助工 作量大、危险性高。吊装长条货物( 如：型钢、螺纹钢等) 时，需要两台叉车配 合作业，作业难度大。叉车在坡形船底处作业，装卸效率低，而且也存在安全隐 患。叉车轮胎在铺设的钢板上行走，易被磨损或者扎破，运营成本高，辅助作业 时间也相对长。 轮胎起重机是港口常用于装卸运输的流动式起重机。使用轮胎起重机在舱内 作业，需要将其吊臂拆解到9 米或1 2 米以满足舱内空间作业要求，而且需要更 换相应的拉臂绳；返高作业时，需要铺垫。因此会导致辅助时间过长，影响到作 业效率。另外，使用轮胎起重机作业时，不能够吊载行走，必须打支腿，其作业 灵活性、作业范围受到限制。 第一章绪论 挖掘机有活动臂，在作业空间有限的环境下作业时，操作人员无须考虑工作 现场是否有障碍物阻碍挖掘机的转动。但使用挖掘机在舱内作业，作业半径和举 升高度小。而且挖掘机负荷小，以2 0 吨级挖掘机为例，1 0 米幅度起重量约1 5 吨，载荷较小。岸边门座式起重机单钩将8 组盘圆一次送到船舱，使用挖掘机舱 内作业只能单件分8 次送到位置。因此，循环次数多，作业效率低。 综上所述，作为现用舱内作业机械的叉车、轮胎起重机、挖掘机，能够承担 的装卸货类局限性很大，普遍存在作业效率低的问题，已经不能完全满足件杂货 船舶舱内作业的要求。由此可见，舱内作业机械的改进对进一步提高港口生产率 和降低生产成本具有十分重要的意义 2 。 1 1 2 研发件杂货专用履带式下舱起重机的意义 履带式起重机应用范围十分广泛，可以适应不同的使用要求和工作条件，具 有接地比压小、转弯半径小、起重性能好、吊重作业不需打支腿、可带载行驶、 作业高度和幅度大等优势 3 o 作为港口装卸作业的主要货物种类，如图1 - 1 所示，近年来全国港口的件杂 货吞吐量不断增长。因此，为适应件杂货码头舱内作业需求，提高件杂货舱内作 业效率，天津港第二港埠有限公司与哈尔滨工程机械制造有限责任公司合作构思 了一种具有良好稳定性能，作业能力高效，适合舱内件杂货作业的履带式下舱起 重机。 ：j l24 ”：川 2 - - - i ：” ：2 14 一n ：”l 一24 一：| l j 图1 12 0 0 1 2 0 0 9 年全国港口件杂货吞吐最情况 以提高舱内作业效率为目的，考虑到履带式下舱起重机适用于船舱内部进行 d午 蛳器鬻簿鬻鍪鬻蘸隧簿黼鬻瓣隧繁 !：零蠹鏊鬻羹蘩豢鬻鬻一 瞅爹熏震鍪鬻鏊鋈雾鬻器鬃藤鍪霞蘸澄隧鼙蘩窿雾霾鍪黪纛羹疆藤辫燃麟隧蠢蘸鹾嚣 0 0 s 一 5 l ，- - t 3 广l j 乒计量一噜位：吨一 第一章绪论 吊装作业，结合舱内作业的实际情况( 包括船舶结构、货物类型、岸边设备的吊 载能力等) ，该履带式下舱起重机的设计方案如图1 2 所示。 图1 - 2 履带式下舱起重机设方案图 履带式下舱起重机的特点在于： ( 1 ) 采用当今国际先进的全液压负荷敏感系统。可以实现复合动作，而且 进行复合动作时，与负载无关，互不干扰。 ( 2 ) 采用履带式行走机构。加宽型履带降低接地比压；履带板外挂防滑橡 胶板，适合港口路面；可实现吊重行走，并且返高作业不用铺垫。 ( 3 ) 采用两节可伸缩式箱形吊臂。可在4 米1 2 米幅度范围内，吊重载进行 伸缩吊臂作业，臂架调整范围7 米1 3 5 米。可实现带载变幅、带载伸缩等复合 动作。 ( 4 ) 采用可伸缩式配重结构。作业时配重可采用两种作业模式：即配重全 伸，或配重全缩。配重全部伸出，可提高起重量；空间狭小时可使配重全部缩回， 空间适应性更强。 ( 5 ) 起重机吊臂头部的结构进行优化。充分利用吊臂头部与地面的高度， 在满足强度的情况下，比一般起重机提高净起升高度近一米，适用于小角度大幅 度作业工况。 ( 6 ) 下舱方式快捷简便。起重机的整机上部有专用吊点，不需要专用吊具， 只需使用四根钢丝绳，便可将该起重机吊起并放到船舱内。 ( 7 ) 采用挖掘机式的操纵方式，降低驾驶员的劳动强度。增设多重安全保 护装置，变幅及伸缩油缸内装有缓冲装置，使作业性能更加平稳。 将此履带式下舱起重机应用于件杂货作业中，必将会使船舶的舱容利用率提 高，使船舶的停靠周期缩短。从而增加了装卸量，增加了装卸收入。因此对港口、 第一章绪论 码头、货场的物流装卸产生深远影响。 1 2 国内外履带式起重机发展概况 1 2 1 国外履带式起重机发展概况 国外较著名的履带式起重机制造商包括德国的森尼波根、利勃海尔、特雷克 斯一德马格，日本的神钢、日立住友、石川岛，美国的p & h 、林克贝尔特、马 尼托瓦克等【4 j 。 从制造实力来看利勃海尔、马尼托瓦克、神钢和特雷克斯一德马格等履带式 起重机制造企业比较雄厚，产品风格上也是各具特色。利勃海尔公司的产品技术 先进、工作可靠、型号相对比较规范，可以做到对整个机车系统进行统一设计研 发和质量控制，该公司具备生产大吨位履带式起重机的能力，已经生产出最大起 重量达1 2 0 0 t 的履带式起重机；马尼托瓦克和特雷克斯一德马格公司专注于生产 特种履带式起重机，其中马尼托瓦克公司生产的最大起重量达9 0 7 t 的履带式起重 机以及特雷克斯德马格公司生产的最大起重量达1 6 0 0 t 的履带式起重机都属于 超大、非标的特种履带式起重机；神钢公司开发的履带式起重机产品系列化程度 高、性价比高，综合能力较强 5 。8 】。表1 1 所示即为一些国外公司的履带式起重机 产品系列型谱。 表1 1国外公司的履带式起重机产品系列型谱 利勃海 型号 l r l l 0 0l r l l 6 0 l r l 2 8 0l r l 3 5 0l r l 4 0 0 l r l 8 0 0l r l l 2 0 0 尔 起重质量( t ) 1 0 4 51 6 02 8 03 5 04 0 08 0 01 2 0 0 型号 c c 2 0 0c c 4 0 0c c l 5 0 0c c 2 8 0 0c c 5 8 0 0 c c 8 8 0 0c c l 2 6 0 0 德马格 起重质量( t ) 5 01 0 02 7 56 0 01 0 0 01 2 5 01 6 0 0 型号 c k e 6 0 0 c k e 8 0 0c k e 2 5 0 07 0 3 57 1 2 07 2 5 07 6 5 0 神钢 起重质量( t ) 6 0 8 02 5 03 51 2 02 5 06 5 0 马尼托 型号 5 0 0 08 0 0 08 5 0 02 2 21 2 0 0 02 2 5 02 1 0 0 0 瓦克起重质量( t )4 57 37 79 11 0 93 0 09 0 7 生产出满足功能要求的产品仅是国外履带式起重机生产企业的基本目标。它 们通过不断的创新改进产品的细节，追求产品的精益求精，更多关注于产品的细 节和人性化理念，以创新的概念和细节的设计赢得了市场的好评，这些创新的精 和对细节的完善都值得国内的同行学习借鉴1 1 。 第一章绪论 1 2 2 国内履带式起重机发展概况 虽然国内开始生产履带式起重机的时间较晚，但发展速度突飞猛进。国内履 带式起重机制造始于2 0 世纪8 0 年代，从最初的年销售5 台，到2 0 0 4 年销售2 1 3 台履带式起重机，销量增长约4 2 倍。国内履带式起重机生产企业有：抚挖、三 一、中联、徐工、哈工等，产品以3 0 0 t 以下吨位为主，各公司履带式起重机的 年产量从几十台到二百台左右不等。近几年国内企业在巨大的市场需求和丰厚利 润的双重诱惑下，在具备足够强大的生产能力和生产规模的前提下，以抚挖、徐 工、哈工、中联浦沅为代表的国内企业开始生产中大吨位履带式起重机，这也使 国内使用者对中大吨位履带式起重机的认识逐步深化u 2 1 。 国内履带式起重机产品目前还处于发展和成长的阶段，无论在设计手段还是 技术创新能力上，国内生产履带式起重机的厂家与国外知名厂家相比还有很大差 距【l3 | 。主要表现在以下几方面： ( 1 ) 产品可靠性较低：国内履带式起重机整体做工与国外产品相比还是有 一定差距，主要体现在外表面不平整，铸造缺陷较多，同一个图号的零件非加工 尺寸不一致，造成互换性差等。 ( 2 ) 缺乏新材料、新工艺：国内履带式起重机厂家大多数焊接工艺落后， 有的还采用陈旧的焊接方法，焊接质量不稳定。 ( 3 ) 试验技术水平较低：缺乏关键的高端试验设施，试验分析手段仍较弱， 制约了履带式起重机产品的试验考核。 ( 4 ) 外观缺陷较多：由于产量的原因，国内生产厂家大多采用的是手工作 业，整体外观与国外还是有很大差距。 虽然国内生产的履带式起重机同国外的竞争对手相比在技术上存在着一定 的劣势，在产品结构，生产规模等方面也存在着一定的差距，但我们没有放弃对 这一领域的自主研发。目前，国内履带式起重机企业的首要目标是保证产品的基 本功能，在产品细节及可靠性方面不断完善，做到这点的有效措施是扎实的敬 业精神和开拓的自主创新精神。 1 3 研究目的和内容 1 3 1 研究目的 件杂货码头对专用舱内作业机械的需求越来越大，所以履带式下舱起重机的 研发越来越紧迫。吊臂是履带式下舱起重机的关键部件，吊臂结构设计的优劣， 直接影响起重机的性能和经济成本。在保证吊臂安全工作的条件下，要尽量优化 第一章绪论 吊臂的结构，减轻吊臂的重量，这对提高履带式下舱起重机的整体性能具有很大 的现实意义。 本文以履带式下舱起重机的吊臂为研究对象，以优化吊臂结构，提高吊臂性 能为目标，分析吊臂的受力特性，建立吊臂的有限元模型。根据优化设计方法， 用有限元分析软件a n s y s 的优化设计功能，对履带式下舱起重机的吊臂进行结 构优化，达到吊臂自重减轻的目的。 1 3 2 研究内容 本课题以天津港第二港埠有限公司与哈尔滨工程机械制造有限责任公司合 作研发的履带式下舱起重机的吊臂为研究对象，以a n s y s 有限元软件为工具， 将优化技术应用于吊臂结构的优化设计，主要包括以下内容： ( 1 ) 在查阅大量有关履带式起重机产品的国内外参考文献的基础上，针对 目前件杂货码头使用的舱内作业机械进行调研，了解并熟悉件杂货码头舱内作业 机械的现状。对目前使用的舱内作业机械存在的问题进行了分析，初步确定适合 舱内作业的履带式下舱起重机的结构方案。 ( 2 ) 吊臂是履带式下舱起重机的主要工作部件，也是承受外力的主要部分。 通过对吊臂的结构和受力特性进行分析，希望能设计出最省材料但却能承受最大 外力的吊臂，因此需要采用现代设计手段进行优化设计。 ( 3 ) 基于a n s y s 有限元软件，对履带式下舱起重机吊臂进行结构静力分 析和模态分析，按照实际工况对模型施加约束和载荷，进行有限元分析计算，查 看应力分布云图和静态变形云图，提取吊臂的前5 阶频率振型。 ( 4 ) 在对履带式下舱起重机的吊臂进行有限元分析的基础上，运用a n s y s 软件，以参数化设计语言a p d l 为工具，建立吊臂的参数化模型。以吊臂的重量 最轻为优化目标，在满足吊臂强度和刚度的前提下，对吊臂结构的截面尺寸进行 优化设计。 ( 5 ) 通过优化减轻吊臂的重量，从而降低吊臂的制造成本，同时提高吊臂 的结构性能。 论文章节安排如下： 第一章论述了本文研究工作的背景及课题研究的意义，综述了履带式起重机 国内外发展概况。 第二章阐述了优化设计理论和有限元方法以及有限元分析软件a n s y s 。 第三章具体针对履带式下舱起重机吊臂的结构形式，分析了吊臂的受力特 点。 第一章绪论 第四章运用a n s y s 有限元软件对吊臂进行建模，对吊臂的结构进行静力分 析和模态分析。 第五章基于a n s y s 的优化设计功能，对吊臂结构进行优化。设置吊臂优化 时的设计变量、约束条件及目标函数，应用a n s y s 的参数化语言a p d l 建立吊 臂参数化优化设计命令流。通过优化结果的前后对比，找出适合的最优截面尺寸。 第六章全文总结与展望。 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 近年来，优化设计理论和有限元方法广泛应用于工程设计。与传统设计相比， 优化设计不仅能满足产品性能指标的设计要求，而且只需要少量的时间就能找出 最优的设计方案。 2 1 优化设计理论 2 1 1 优化设计的概念 优化设计是一种现代设计方法，是一种寻找并确定最优设计方案的方法。 “最优设计”即是指能够满足所有的设计要求，并且需要的支出( 如重量，体积， 面积，应力，费用等) 最小的一种方案，也就是说，最优化设计方案就是一个最 有效率的方案 1 4 1 。优化设计的基本思想是：根据一般的设计理论和方法，遵循国 家标准的设计规范，首先根据实际需要把工程设计问题转化为数学模型，然后应 用合适的优化方法和计算程序，借助计算机求解，从所有可能方案中寻求最优的 设计方案。优化设计提供了一种重要的科学设计方法，它能在解决复杂设计问题 时，从众多的设计方案中找出比较理想的设计方案。将优化设计应用于工程设计， 对提高设计质量和设计效率，降低成本和节省材料具有十分重要的意义。 优化设计是2 0 世纪6 0 年代初发展起米的一门新学科，经历了由怀疑、提高 认识到实践收效的过程。随着计算机应用技术的不断成熟，优化设计技术8 0 年 代末得到了前所未有的迅猛发展。目前，优化设计在机械、电子、化工、冶金、 航天、交通、建筑等许多设计领域都有广泛的应用。特别是在机械设计中，优化 设计越来越受到企业和科研技术人员的重视，在机械设计的各个领域得到了广泛 的应用。它将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供了一种重 要的科学设计方法。 2 1 2 优化设计与传统设计的比较 传统设计通过调查分析，参照同类产品，在估算、试验或经验类比的基础上 确定一个设计方案。并且对此设计方案进行评价，判断产品的设计参数是否满足 产品性能指标的要求。若是不完全满足性能指标的要求，则对产品的设计参数进 行反复的修改，直到得到满足产品性能指标要求的设计方案为止。总之，传统设 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 计的过程就是构思一评价一再构思一再评价的寻优过程。传统设计流程如图2 - 1 所示。 图2 1 传统设计流程图 优化设计的理论基础是数学规划，采用的工具是电子计算机，与传统设计相 比，具有明显的优势。优化设计通过将设计问题转化成数学模型，然后按照数学 模型的特点选择合适的优化方法进行分析计算，在很短时间内就可以分析一个设 计方案，并判断方案优劣和是否可行，因此可以从大量的可行设计方案中寻找出 一种最优的设计方案。优化设计的流程如图2 2 所示。 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 图2 - 2 优化设计流程图 2 1 3 优化设计的分类及意义 优化设计方泫 大量可行方案 主动的分析 在不同的应用领域，根据优化问题的不同特征，优化设计有不同的分类方法。 ( 1 ) 按有无约束：分为无约束优化问题和有约束优化问题。 ( 2 ) 按问题的物理结构：分为优化控制问题和非优化控制问题。 ( 3 ) 按模型所包含方程式的特性：分为线性规划问题、非线性规划问题、 二次规划问题、整数规划问题和几何规划问题等。 ( 4 ) 按变量的确定性质：分为确定性规划问题和随机规划问题。 ( 5 ) 在工程领域，结构优化可分为以下三种类型： a 截面优化 也称为截面尺寸优化，在结构类型、材料、布局、轮廓和几何形状已经确定 的条件下，求结构各单元的最优截面尺寸。此类问题进二十年来研究较多，理论 与方法己日趋成熟，应用在某些领域的效果令人满意，今后要继续的推广应用。 b 形状优化 也称为几何优化，在结构类型、布局和材料已经确定的情况下，优化结构的 几何形状。例如，对结构已定的桁架或刚架的结点位置及截面尺寸进行优化。这 一类问题目前正处于发展阶段，问题的解决也并不困难。 c 拓扑优化 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 它是对结构的构件布局和结点连接关系进行优化。除了要确定截面尺寸外还 要确定结构的布局形式，并且在优化过程中结构分析和优化模型以及设计空间、 可行域都在不断变化，这些都给结构拓扑优化增加了难度。 借助优化设计能在尽可能短的时间内用低的成本设计和制造出高质量的产 品，已经逐渐受到工业界的重视。优化设计的意义简单归纳有以下几点： ( 1 ) 减少了产品设计过程中不断重复设计所耗费的时间，大大缩短产品开 发的时问。 ( 2 ) 减少零件制造时所需的材料，可以降低制造成本和提高性能。 ( 3 ) 帮助我们摸清各项指标的变化规律，有利于对今后的设计结果作出正 确的判断，从而不断提高产品的性能。 ( 4 ) 由于材料的减少，使得产品整体重量大幅降低；相对地，产品重量降 低，能量消耗减少、系统效率增加，因此也能达到环境保护的目的。 ( 5 ) 最优设计的结果除了可降低应力，增加结构强度，同时可以改善产品 外形。 2 1 4 优化设计的数学模型 优化设计必须通过数学模型来描述。优化设计的数学模型描述的是优化问题 的设计内容、变量关系、有关设计条件和意图的数学表达式，它反映了物理现象 各主要因素的内在联系，是进行优化设计的基础” 。优化问题的数学模型可表示 为： m i n f ( x ) = f ( 薯，x 2 ，) g h ： x x ；三h g ： 五x 1 x x i i ：乏x ；三。o o ( j ：二2 ：j j j 篡p j c 2 t ， ，( ) = ，( 2 ，。) = 1 ，) x = ，x 2 ， 。 f ( x ) 为目标函数，是设计变量的函数。g ，( x ) 、而，( x ) 为约束条件，是设计 变量的函数。z 为设计向量，由设计变量形成。 一般建立的最优化数学模型由以下三个要素构成： ( 1 ) 设计变量( d e s i g nv a r i a b l e ) 设计变量是优化设计中待确定的某些参数，在优化设计过程中是可以变化的 量，常常表示为高度、厚度、长度等几何变量。设计变量太多，会增加计算的难 度和工作量，且会因问题过复杂而失去实际意义；设计变量太少，则减小了设计 自由度，难以得到满意的设计结果。应在确保优化设计的前提下，尽可能减少设 计变量。 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 ( 2 ) 约束条件( c o n s t r a i n t s ) 也称状态变量，是在达到最优化值的同时必须满足的某些限制条件，这些限 制条件都是对设计变量取值的限制。约束条件表现的形式有两种，分别是不等式 约束条件和等式约束条件。约束条件还可分为约束方程和常量约束。约束方程是 将设计变量和设计参数按照一定关系建立起来的函数式，它的自变量就是所选定 的设计变量，因变量就是所要求限制的设计参数。常量约束是指设计变量允许的 取值范围。 ( 3 ) 目标函数( o b j e c t i v e f u n c t i o n ) 目标函数是优化设计时衡量设计方案优劣的表达式，是设计变量的函数，代 表设计结构的某个重要特征或指标。优化设计就是从许多可行设计中，以目标函 数为标准，求出目标函数的极小值或目标函数的极大值。确立目标函数是优化设 计很重要的一个步骤，直接影响优化设计的难易程度。因此要选择最重要的设计 目标作为目标函数，可以选择结构强度、结构刚度、结构质量、结构体积、某些 关键元件的尺寸和位置等作为目标函数。目标函数不一定有明显的物理意义，它 只是设计指标的一个代表值。 建立正确的数学模型是解决优化设计问题的关键，对数学模型的基本要求 是：建立的数学模型能正确的表达设计问题，准确地保证设计问题所要达到的目 的和满足所受的各种限制条件；建立的数学模型要容易处理，总的计算时间较短， 计算结果可靠。 2 2 有限元方法 2 2 1 有限元法的基本思想 有限元单元法，简称有限元法，基本思想的提出是在1 9 4 3 年c o u r a n t 求解 s t v e n a n t 扭转问题时，试图运用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小势 能原理相结合。有限元法是一种现代计算方法，它作为求解偏微分方程初边值问 题的有效的数值方法，随着电子计算机的发展而迅速的发展起来。在2 0 世纪5 0 年代它先是被应用于连续力学领域飞机结构静、动态特性分析中，随后在其 他可以用偏微分方程描述的领域得到广泛应用，包括结构电磁场、流变学、工程 分析、传热分析、渗流及流体力学等，很快成为工程领域中应用最广的数值方法 16 1 。 使用有限元法对对象进行变形和应力分析时，将对象按参数单元划分成网 格，网格问相互连接的交点称为节点，网格与网格的交界线称为边界，节点数是 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 有限的，单元数目也是有限的，这就是“有限元”一词的由来7 1 。 有限元法的基本思想是：先化整为零、再积零为整。对连续的求解区域进行 离散化，把1 个原来是连续的物体剖分成有限个单元，从单个的单元分析入手， 应用变分原理建立单元方程。然后再把这些单元集成，代表原来的结构进行整体 分析，即与节点上的外载荷联系后，根据变形协调条件把这些单元重新组合起来， 获得一组以节点位移为未知量的多元线性代数方程，引入位移边界条件后就可以 进行求解。采用有限元法分析计算获得的结果只是近似的，因为有限元法分析的 是众多单元采用一定方式连接成的相同材料的离散物体，并非原先的物体或结构 物。单元划分的越多越合理，越能使有限元分析的结果更加的接近实际情况。然 而，计算量也相应的增大。 2 2 2 有限元法的工程应用 表2 1 有限元法的工程应用 研究领域平衡问题 特征值问题动态问题 梁、板、壳结构的分 应力波的传播；结构 结构工程学，结构力 析；复杂或混杂结构 结构的稳定性；结构 对于非周期载荷的动 学和宇航工程学的分析；二维和三维 的固有频率和振型； 态响应：耦合热弹性 应力分析 线性粘弹性阻尼 力学与热粘弹性力学 边坡稳定性问题；土 土壤与岩石中的非定 土力学，基础工程学 壤与结构的相互作常渗流：应力波在土 用；流体在土壤和岩 土壤与结构组合物的 和岩石力学固有频率和振型 壤和岩石中的传播； 石中的稳态渗流：二土壤与结构的动态相 维和= 维府力分析 互作用 流体动力学，水利工 湖泊和港湾的波动；河口的盐度和污染研 程学 流体的势流；刚性或柔性容器中流究；流体的非定常流 体的晃动动：沉积物的推移 固体和流体中的稳态 固体和流体中的瞬态 热传导学 温度分布热流 反应堆安全壳结构分反应堆安全壳结构的 析；反应堆和反应堆动态分析；反应堆和 核子工程学 安全壳结构的稳态温反应堆安全壳结构中 度分布的非稳态温度分析 二维和三维静态电磁 二维和三维高频电磁 电磁学场分析；二维和三维 场分析 时变 随着有限元法的诞生，其应用领域逐步扩展。已经由静力平衡问题扩展到动 力问题、稳定性问题、波动问题，由弹性力学平面问题扩展到空问问题、板壳问 题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性、粘弹性和复合材料，从固体力 学扩展到流体力学、电磁学、传热学等领域。有限元法的工程应用如表2 1 所示。 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 2 2 3 有限元法的基本步骤 有限元法分析计算的基本步骤可归纳如下： ( 1 ) 连续体的离散化 首先，根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元，将某个工 程结构离散为由各种单元组成的计算机模型。其次，进行单元划分，这部分工作 量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表 示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边 界值。有限元分析计算得到的结果只是近似值，因为有限元分析的结构已不是原 有的物体或结构物，而是由新材料的众多单元以一定方式连接成的离散物体。只 要单元数目划分的多而合理，所获得的结果就与实际情况基本相符。 ( 2 ) 单元特性分析 所谓单元特性分析，就是建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式。 用单元基函数的线性组合表达式对各个单元中的求解函数进行逼近，然后把近似 函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，获得含有待定系数( 即单元中各节 点的参数值) 的代数方程组，称为单元有限元方程。 a 选择位移模式 b 分析单元的力学性质 c 计算等效节点力 ( 3 ) 单元组集 对各个单元组成的整体进行分析。它的目的是要建立起一个线性方程组，来 揭示结点外荷载与结点位移的关系，从而用来求解结点位移。 ( 4 ) 求解未知节点位移 求解有限元方程式可以得出位移。可以根据方程组的具体特点，选择适当的 方法计算。 ( 5 ) 由节点位移计算单元的应变与应力 解出节点位移后，可以由弹性力学的几何方程和弹性方程来计算应变和应 力。用有限元法不仅可以求结构体的位移和应力，还可以对结构体进行稳定性分 析和动力分析。 通过上述分析可以看出，有限元法的基本思想是用较简单的问题代替复杂问 题后再求解，从而得到问题的近似解。 2 2 4a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场和声场分析于体的大型通用有 1 4 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 限元分析软件，可广泛用于机械制造、航天航空、能源、水利、土木工程等一般 工业及科学研究中。美国a n s y s 公司作为世界上最大的有限元分析软件公司， 它开发的a n s y s 软件能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如 p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、a l o g o r 、a u t o c a d 等。经过多年的发展，a n s y s 逐 渐为全球工业界所广泛接受，是世界上拥有用户最多、最成功的有限元软件之一。 a n s y s 软件主要包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块三个部分， 如图2 3 所示。 n s y s 软 件 前处理模块h 实体建模及l 叫格划分t 具 分析计算模块 后处理模块 包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、 声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析 肾盯舁结朱显不出术，也口j 衙盯 曲线形式显示或输出 图2 - 3a n s y s 软件结构图 ( 1 ) 前处理模块 a n s y s 的前处理模块主要包括两部分内容：实体建模和网格划分。 a 实体建模 a n s y s 程序提供了自底向上与自项向下两种实体建模的方法。实体建模使 用自底向上的方法时，要首先定义关键点，然后依次定义相关的线、面、体，模 型是从最低级的图元向上构造的。实体建模使用自项向下的方法时，定义的模型 的最高级图元称为基元，程序自动定义相关的面、线及关键点，利用这些高级图 元可直接构造几何模型。 b 网格划分 a n s y s 程序主要选用自由网格划分和映像网格划分来高质量的划分模型网 格。自由网格划分可以对复杂模型直接划分，可避免对各个部分分别划分然后进 行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。映像网格划分允许几何模型被分解成简 单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。 ( 2 ) 分析计算模块 前处理阶段建模完成以后，可以在分析计算阶段得出分析结果。a n s y s 软 件提供了以下的分析类型： a 结构静力分析 结构静力分析是用来求解外部载荷引起的力、位移和应力。a n s y s 程序中 的静力分析既能够进行线性分析，又能够进行非线性分析，如蠕变、大变形、塑 第二章履带式下舱起重机吊臂优化设计的理论基础及方法 性变形、大应变及接触问题的分析。惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题适 宜用静力分析求解。 b 结构动力学分析 不同于静力分析，结构动力学分析是用来求解随时间变化的载荷对结构或部 件的影响，必须考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。其中模态 分析、瞬态动力学分析、谐波响应分析和随机振动响应分析都属于a n s y s 结构 动力学分析的类型。 c 热分析 d 动力学分析 e 结构非线性分析 f 流体动力学分析 g 压电分析 h 声场分析 i 电磁场分析 ( 3 ) 后处理模块 a n s y s 软件的后处理模块可以很容易地获得求解过程的计算结果并对其进 行显示。包括通用后处理模块p o s t l 和时间历程响应后处理模块p o s t 2 6 。 a 通用后处理模块p o s t l 这个模块能清晰地反映计算结果的区域分布情况。因为它可以用图形形式显 示和输出前面的分析结果，用浓淡图表示计算结果在模型上的变化情况，即不同 的颜色代表不同的数值区。 b 时间历程响应后处理模块p o s t 2 6 这个模块可以通过绘制曲线或列表查看结果。在一个时间段或子步历程中的 结果，如应力、节点位移或支反力等使用这个模块来检查。 2 3 本章小结 本章对优化设计理论和有限元法以及有限元分析软件a n s y s 进行了系统的 论述。给出了优化设计的数学模型，说明了有限元法的基本思想和基本步骤，并 对有限元软件a n s y s 的三个功能模块进行了简要介绍。本章内容是履带式下舱 起重机吊臂进行有限元分析和优化设计的理论基础和支撑。 第三章履带式下舱起重机吊臂的结构和受力分析 第三章履带式下舱起重机吊臂的结构和受力分析 吊臂是履带式下舱起重机的重要组成部分，吊臂的性能能否得到充分发挥， 将直接影响起重机的工作性能。因此，需要根据其结构特点，研究吊臂的受力情 况，为吊臂有限元分析和优化设计做好理论基础。 3 1 履带式下舱起重机的结构简介 不。 本文以h c 3 0 0 d 履带式下舱起重机为分析对象，其主要技术参数如表3 - 1 所 表3 1 整机主要技术参数表 技术指标单位数值 额定起重量( 4 米幅度) t1 5 幅度 m4 1 1 8 起重臂长度 i l l 8 1 3 5 额定起升高度 m 1 3 5 起重臂变幅角度 0 6 0 。 起升机构单绳速度 m r a m7 0 变幅速度( 起、降) s2 9 、2 3 回转速度 r m m 2 5 回转半径 m 全缩3 3 5 ；全伸4 1 行走速度 k m h2 2 爬坡能力 4 0 车身自重 t2 4 2 履带接地比压 田a0 0 7 2 履带式下舱起重机可吊重行走，既适用于船舱内作业，又能在货场作业，机 动灵活。履带式下舱起重机的结构主要由吊臂、吊钩、转台、钢丝绳等部件组成， 如图3 1 所示。由于履带式下舱起重机具有良好的通用性，适用范围较广，能够 促进港口运输业的发展。 第三章履带式下舱起重机吊臂的结构和受力分析 图3 - 1履带式下舱起重机结构简图 3 2 履带式下舱起重机吊臂的结构 吊臂是履带式下舱起重机的一个关键部件，它直接影响起重机的承载能力、 整机稳定性和自重的大小。履带式下舱起重机专门用于船舱内部进行吊装作业， 伸缩臂为两节箱形结构，由基本臂和伸缩臂组成，结构如图3 2 所示。 1 一基本臂：2 一伸缩臂：3 一伸缩油缸；4 一变幅液压油缸：5 一滑块 图3 2 起重机吊臂结构简图 伸缩臂伸出的长度可以变化，主要由基本臂内部的伸缩油缸来完成，利用缸 体和活塞杆之间的相对运动推动伸缩臂的伸缩，基本臂根部与底座转台通过水平 销轴铰接，且基本臂还与变幅液