（机械设计及理论专业论文）龙门起重机金属结构系统优化及cad的研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文 摘要 论文运用现代设计理论之一的优化方法及c a d 的二次开发技术a r x ，进行 了龙门起重机金属结构系统的优化设计，并以优化结果为基本参数，实现了龙门 起重机金属结构系统的参数化绘图。 、厂论文以龙门起重机金属结构系统的总重量最轻为目标瀚数，以主梁、支腿、 下横梁的1 3 个截面尺寸为设计变量，在综合考虑各种工况下的危险截面的强度条 件、各分支结构的冈度条件、稳定性等条件的基础上。建立了包含2 2 个约束条件 的优化模型，并采用以复合形思想为基础形成的直接搜索法进行优化计算。应用 f o r t r a n 语言编制优化设计计算程序。采用3 6 t u 型集装箱龙门起重机的基本参 数对程序进行验算，并对其金属结构系统进行优化设计，提出优化方案以供参考。 此外，论文还以优化结果为基本参数，编制了一套实用、准确、通用性较强 的龙门起重机金属结构系统参数化绘图实用程序。能自动完成主梁、支腿的绘制 及图幅的自动确定和标题栏、图框、明细表的自动绘制。仍以3 6 t u 型集装箱龙门 起重机为例验证了该程序。产 【关键词】：龙门起重机盒属结构优化方法参数化绘图 西南交通大学研究生学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h em e t a ls t r u c t u r ei sd e s i g n e db y u s i n g t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nw h i c h i so n eo ft h em o d e m d e s i g nt h e o r i e s m o r e o v e r ，a r xt e c h n o l o g yi su s e dt od e s i g nt h e c a d s y s t e mf o r m e t a ls t n l c t i | r es y s t e m 皿把n o n l i n e a rc o n s t r i c t i o no p t i m i z a t i o np r o g r a mf o rd i s c r e t ev a r i a b l e s ( m d o d ) i s u s e di nt l i i st h e s i s t og e tt h er e a 瓢；n ：= b l ea n ds a t i s f a c t o r yi n t e g r a la n dl o c a ls t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，t h es t r e n g t ho fd a n g e r o u sc r o s s e s ，t h er i g i d i t yo fb r a n c hs t r u c t u r e s ，t h e s t a b i l i t y , a n do t h e rc o n d i t i o n s , a r ew e l l - c o n s i d e r e d a n dt h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni st h e w e i g h to f t h em e t a ls t r u c t u r e t h el o w e rt h ew e i g h to ft h em e t a ls t r u c t u r ei s ，t h em o r e p r o f i t s c a l lb eo b t a i n e db y p a y i n g as m a l l e r p r i c e m o r e o v e r , af u n c t i o n a la n da c c u r a t ep r o g r a mi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s w h i c hc a nb e a p p l i e du n i v e r s a l l y u s i n gt h i sp r o g r a m d e s i g n e rc a nf m f i lt h ed r a w i n go f t h em e t a l s t r u c t u r ee a s i l yb e c a u s ea l lt h i sc a nb ed o n eb yt h ec o m p u t e r t h r o u g hu s i n g t h e p r o g r a m k e y w o r d s ：m e t a ls t r u 砹嘛o f g a n t r y c r a n e , o p t i m i z a t i o n s o l u t i o n 西南交通大学研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 概述 在现代物质生产中，物料的搬运和装卸是整个生产过程中的有机环节，实现 装卸搬运作业机械化和自动化是发展趋势。起重运输机械是提高装卸作业效率、 减轻工人劳动强度，实现机械化的主要设备。其中龙门起重机是用途十分广泛的 大型起重设备，在铁路货场装卸货物，在港口码头装卸集装箱，在水电站超吊大 坝闸门，在建筑工地进行施工作业，在贮木场堆积木材等都得到了广泛的应用。 金属结构作为起重机的骨架，承受和传递起重运输杌所负担的载重及其自身 重量，起着极其重要的作用。一般龙门起重机金属结构的重量约占整机重的6 0 以上，一些大型龙门起重机则可达9 0 。因此采用先进设计方法降低金属结构的 自重，从而降低大车轮压，减少走行基础的基建投资，是从事龙门起重机设计人 员所关心的问题，除采用有限元方法，对结构进行比较准确的分析之外，在规范 及现有计算方法的基础上，改变过去类比设计方法，采用最优化设计，是一条有 效的途径。经对过去已有结构进行优化设计后，其所得结果与现有方案相比，重 量可减轻1 5 左右。 另一方面，在运用优化技术的同时采用新的方法、技术，如：有限元技术、 c a d 技术等，是今后研究的重点。如果将优化技术与c a d 技术相结合，实现参 数化绘图，可以大大解决起重机设计过程中豹繁琐、复杂的人工劳动。 1 2 研究现状、发展趋势及优化、c a d 方法的应用 1 2 1 起重机金属结构研究现状及其发展趋势 起重运输机是一种常见的工作十分繁忙的重型机械，又是一种移动机械，若 要使其能保证正常工作，起重运输机金属结构必须满足如下要求： 金属结构必须坚固耐用。应保证起重机有良好的工作性能，因此，其本身应 具有足够的强度、刚度和稳定性； 金属结构应力求轻巧。起重运输机金属结构的重量约占整机重量的 4 0 7 0 ，巨型起重机可达9 0 以上，由于起重机是移动的，因此减轻自重不但 可以节省原材料，而且也相应地减轻了机构的负荷和支撑结构的造价； ，警重乳。：属结构的制造工艺要求简单，安装、维修容易，； 应注意0 。：! ! ：司机 ：乞一。1 譬：争l ! 二： 超重机金属结构的外形应美观、大方。 起重机金属结构的工作不仅繁忙，且结构自重甚大，消耗钢材很多，金属结 构的成本约占总成本的1 3 以上。因此，设法提高金属结构的性能、节省材料、 减轻自重、减少制造劳动量，从而降低产品成本，是起重机金属结构设计和制造 工作坚定不移的方针，也是今后发展的总趋势。 根据对起重机金属结构的基本要求，提出以下几点今后发展的方向和研究重 点： c h e n g d u s o u t h w e s t j i a o t o n g u n i v e r s l t y y 9 7 0 4 09 9 8 西南交通大学研究生学位论文 第2 页 ( 1 ) 设计计算理论的研究和改进 直到目前为止，在起重运输机金属结构设计中，我国仍采用许用应力计算法。 这种方法使用起来比较简便，但其缺点是对不同用途、不同工作性质( 受力情况) 的金属结构采用同一安全系数，而且安全系数往往偏大或偏小。因此，按许用应 力计算法设计的起重机金属结构，或者多消耗金属材料或者安全程度较低。随着 生产发展的要求，实验研究工作的开展，促进了计算理论的改进和发展。近年来 出现了不少新的计算方法，提出许多新的数据、参数、系数和公式。这些方法正 确的考虑了载荷的作用性质，钢材的性能及结构的工作特点，随结构工作情况的 不同采用不同的安全系数。如目前正在研究的按结构工作的极限状态计算法就是 一例。这种计算方法，计算结果比较精确，比较符合金属结构的实际工作情况。 因而也能更充分地利用钢材的性能，节省材料。 ( 2 ) 改进和创造新型的结构形式 在保证起重运输枧工作性能的条件下，改进和不断创造新型结构形式，是最 有效的减轻起重运输机金属结构自重的方法之一。 ( 3 ) 改进制造工艺过程 广泛的采用焊接，特别是自动焊和改进工艺过程，应用冲压焊接钢板制造起 熏运输机金属结构，既能简化结构构造，节省材料，又能减少制造安装的劳动量， 缩短工期，从而降低产品成本。采用焊接结构比采用铆接结构可以节省钢材3 0 以上，所以用焊接代替铆接结构被称为金属结构设计与制造方法的一大改革。目 前生产的起重运输机金属结构绝大部分都是采用焊接。 应用冲压焊接钢板的建属结构，并用螺栓进行装配，可以省去许多复杂丽繁 重的组装工艺，防止装配变形，增加结构刚度，保证结构的制造质量。目前，国 内应用冲压钢板来制造起重运输机金属结构的工厂还较少，应进一步研究，推广。 ( 4 ) 尽量采用先进技术 目前，起重运输机金属结构的设计和制造工作虽然有了一整套可行的方法和 工艺，但仍有许多问题有待进一步研究和改进。 在设计方面，如研究采用预应力的方法设计起重机金属结构，可改善结构的 受力状态，节省钢材。利用有限元法( 借助电子计算机) 解算复杂的计算问题， 能简化设计过程，加快设计进度，且可探索断裂设计法在起重运输机金属结构设 计中应用的可能性。采用优化方法减轻金属结构的自重从而降低成本等等。 此外，提高起重机的参数、起重机金属结构的标准化和系列化，采用轻金属 或高强度结构钢制造金属结构等也将是起重机会属结构发展的方向。 1 2 2 优化方法在起重机金属结构设计能应用 ( 一) 优化设计的发展概况 起源于古代( e u c l i d 公元前3 0 0 年左右) 的经典最优化技术，在近二三十年 得到了迅速发展。这主要是由于近代科学技术和生产力的发展，提出了许多用经 典优化技术无法解决的问题。而为了取得重大的经济与军事效果又必须解决这些 问题，这在客观上极大地推动了优化技术的研究与应用。另一方面，由于电子计 算机的出现和应用，为最优化技术提供了有效的手段。许多大型复杂的计算问题 过去定性地、粗略地在理论范畴进行分析比较，现在能进行精确的定量计算研究 西南交通大学研究生学位论文第3 页 并应用于实际。 随着电子计算机的普及、软、硬件价格大幅度下降，新的数值计算方法不断 出现，优化计算的成本也在不断下降。优化设计这门较新的科学分支已开始深入 到各个生产和科研领域，如工程机械、化学工程、运输调度、生产控制、经济规 划和经济管理等，并取得了重大的经济效益与社会效益。据不完全统计，近年来 在采用优化设计的企事业单位中，设计周期缩短了近6 0 ，速度提高了几倍，资 金节省了3 0 以上，设计质量和计算精确性都得到了极大的提高，以前需半年以 上的时间才能完成任务，现在只需十几天左右就能完成。另一方甄，目前我国的 优化设计应用技术与西方发达国家相比仍有一定的差距，还处于起步阶段。统计 表明，只有5 的企事业单位应用了优化设计，相当多的科研、工程技术人员没有 掌握这一现代技术，仍然采用传统设计手段，这必然极大地阻碍着产品的设计、 研制和开发周期，影响着产品的质量，所以进一步推广和普及优化设计技术无疑 是非常重要的。 ( 二) 优化方法在起重机金属结构设计中的应用 如前所述，减轻自重以达到降低起重机生产和设计成本是设计起重机金属结 构坚定不移的方针。除了改进和创造新型的结构形式、改进制造工艺过程、提高 起重机参数、起重运输机金属结构的标准化和系列化、采用轻金属或高强度结构 钢制造金属结构等方法外，设计计算理论的研究和改进、尽量采用先进技术是两 种相互关联且不容忽视的办法。 优化设计作为近几十年来迅速发展的一项技术应用到起重机金属结构中，已 经和必将推动起重机金属结构设计的进步发展。起重机金属结构的优化设计， 把设计工作的主要精力转到优化方案的选择方面来，使结构设计工作者由单一的 经验设计转变为积极主动地从各种可能的设计方案中寻求最优方案，最优的方案 可以用数字来表示，用数字来回答问题，优化设计是现代起重机金属结构设计的 特色。 目前，龙门起重机金属结构的优化设计中，一般以起重机金属结构的总重为 优化的目标函数，以梁、支腿等结构截面的高、宽、板厚等为设计变量，以危险 截面的强度、桥架的刚度、结构的整体稳定、板的局部稳定性以及一些几何条件 为根据建立约束条件，应用优化软件求解。优化方法的选择当然是影响优化结果 的一个不容忽视的因素，设计变量的选择、约束条件的适当选取、目标函数的合 理建立等等都会对优化结果产生较直接的影响。关于这些问题在以后的章节里都 有以程序结果为论据的叙述和讨论。 必须指出的是，起重机金属结构的优化设计与其已i 嗣傥俅诲计一样，是以 一些许用应力法得出的公式为基础建立约束条件的。也就是说，优化设计，特别 是工程优化设计是建立在一定的计算方法基础上的。这就要求在一个好的优化设 计后面必须有一个好的、可靠而又不保守的较完美的计算方法。只有我们采用的 计算方法可靠，在此基础上进行的优化设计的结果才会有较高的可信度；只有我 们所采用的计算方法不保守，才会达到优化的最终目的。但是，目前的优化方法 还有许多缺点，这使得优化结果有时与实际有一些距离。这也是目前优化方法没 有得到普遍应用，许多厂家不敢使用优化结果进行生产的一个根本原因。相信， 优化方法将来一定会随着计算方法的发展而得到更快的发展和更普遍的应用。 西南交通大学研究生学位论文第4 页 1 2 3c a d 二次开发技术的发展及在起重机设计中的应用 众所周知，作为c a d 工业旗帜产品的a u t o c a d ，伴随着近年来整个p c 基 础工业的突飞猛进，正在迅速而深刻地影响着人们从事设计和绘图的基本方式。 从始至今，a u t o c a d 均是一种定位于全球各大领域和各类专业的通用微机c a d 平台软件，其完备的系统开放性和丰富的个性化能力，是其能在各行各业应用中 生机勃勃的基本要素。到目前为止，a u t o d e s k 公司提供了四种开发手段：a u t o l i s p 、 a d s 、v b a 及o b j e c t a r x ，其中o b j e c t a r x 是全新的面向对象的开发手段，功能 非常强大。 a d s 是从a u t o c a dr 1 l 开始引入的c 语言开发工具，a d s 不是c 语言的一 个子集，也不是基于c 而编制的专用语言( 如：m i c r o s t a t i o n 的m d l ) ，但它包 括了c 的全部功能。c 是编译型语言，功能强大，因此a d s 很轻易地克服了a u t o l i s p 语言所固有的诸多缺点。a d s 程序不包含于a u t o c a d 内部，而是作为一组a u t o l i s p 外部函数由a u t o l i s p 解释器装入、解释并请求a u t o c a d 运行。 a u t o c a dr 1 3 和a u t o c a dr 1 4 版都提供了面向对象的o b j e c ta r x 开发系 统，o b j e c ta r x 是用来开发a u t o c a da r x ( a u t o c a d r u n t i m ee x t e n s i o n ) 实时 运行扩展的一种新的编程环境，包括一系列的类库及头文件。编译后的a r x 程序 实际上是w i n d o w sd l l 程序，与a u t o c a d 核心程序之间的通信更为紧密，运行 速度比a d s 程序更快。 随着a u t o c a dr 1 4 版的推出，a u t o d e s k 公司推出了v i s u ml i s p 集成化编程 环境，它不仅仅足气，照、，s p 的简单扩展，还在其中加入了面向对象的新特性，：芝 利用a u t o l i s p 进行a u t o c a d 二次开发的用户在编程时更为容易、快捷。 在a u t o c a dr 1 4 0 1 版中，v b a 成为软件的标准安装组件，v b a 编程工具的 引入为a u t o c a d 带来了第四种应用软件开发工具，它可以使用a c t i v e x a u t o m a t i o n 组件。 图1 1 反映了a u t o c a d 二次开发工具的演变过程。 o b j e c ta r x v b a a c l i v exv i s u a u t o l i s pa d sd c l a d s r x a a t o m a t i o nl i s liiiii 8 68 78 89 99 0 n 1n 。in ， 9 49 59 69 79 8 图l 1a u t o c a d 二次开发工具的演变 1 2 4c a d 二次开发技术在起重机设计中的应用 目前，在一些技术比较先进的工厂、企业、科研机构中已经用计算机取代了人 们的手工绘图，但是由于人力、物力的缺乏，对c a d 进行二次开发的工作却进行 得不多，将各种先进技术相结合( 如：将优化设计的结果与c a d 相结合，实现参 数化绘图) 的工作更是无人去做。这主要是因为开发一个适合本企业实际需要的 缱丕筮墨壅珏蕴厶盈丕抠县直筮遂厘鲢童些翅迟：歪堂纽蕴丛墅数三这匠筮越 c h e n g d u s o u t h w e s t j i a o t o n g u n i v e n i t y y 9 7 0 4 09 9 8 西南交遥大学研究生学位论文 第5 页 术有较深入的了解。综上所述，c a d 系统的开发在起重机行业中的应用还并不是 十分广泛，与优化技术的结合工作更是及需科研人员去解决。 1 3 本论文研究的内容、方法和目的 研究内容如下： ( 1 ) 深入分析龙门起重机金属结构系统，确定系统的优化目标、设计变量、约束 函数，建立能较准确反映实际情况的数学模型； ( 2 ) 选用合适的优化方法； ( 3 ) 编制一套实用、准确、通用性较强的偏轨箱形龙门起重机金属结构系统优化 设计计算应用程序； ( 4 ) 采用3 6 tu 型龙门起重机基本参数验算程序的可行性，以证明物理及数学模 型的正确性，程序的可靠性； ( 5 ) 对3 6 t u 型龙门起重机金属结构系统进行优化设计，提出优化方案进行分析； ( 6 ) 开发一个c a d 系统，以优化的数据为参数，实现参数化绘图： 研究方法和目的如下： 以确定的系统优化目标、设计变量、约束函数及建立的数学模型为基础，运 用非线性规划中求解有约束条件离散变量优化问题的优化方法，对龙门起重机金 属结构系统进行优化设计； 以优化结果为参数，运用c a d 的二次开发技术，实现龙门起重机金属结构 系统的参数化绘图。 西南交遥大学研究生学位论文第6 页 第二章优化设计概论 2 1 优化设计的基本概念 优化设计方法是将工程设计问题转化为最优化问题，利用数学规划的方法， 借助于电子计算机的高速运算速度和逻辑判断的巨大能力，从满足设计要求的一 切可行方案中，按照预定的目标，自动寻找最优的设计方案的一种设计方法。用 数学语言表达，就是求某些变量的函数值在一定条件下的极值( 极大值或极小值) 的问题。这里所要求的变量相当于所要选择方案的参数，在工程设计中称为设计 变量：所要求出函数的极值相当于预定的优化目标，所需优化的变量的函数称为 目标函数；所要满足的条件称为约束条件；求出的变量的解称为最优解。 机械优化设计的一般过程与传统设计方法有所不同。它是以计算机自动设计 选优为其基本特征的。一个机械优化设计的实际问题，其解决过程一般分为四个 阶段： ( 1 ) 工程闯题的提出。 首先确定设计目标，然后分析一下设计应满足的要求，主要有以下几类：一 类是某些设计参数的取值范围；一类是由某种设计性能或指标根据设计规范推导 出的性能要求；一类是工艺条件对某些设计参数的限制等。 ( 2 ) 建立数学模型。 、 将以上工程设计问题用数学方程式予以全面地、准确地描述，其中包括：根 据设计目标建立帮评伶专案优劣的目标函数；把设计应满足的各类要求以等式书 不等式的形式建立约束j 程；确定设计变量。这里，一是要准，必须严格地按各 种规范建立相应的数学描述；二是要全，必须把设计中应考虑的各种因素全部包 括进去。这两点对于夔个优化设计的效果是至关重要的。 ( 3 ) 根据数学模型中药数的性质、设计的精度要求等，选择适用的优化方法， 并做出相应的程序设计。 ( 4 ) 上机计算，并自动取得最优解，然后对计算结果做出分析和正确的判断，得 出最优设计方案。 2 2 优化设计的技术经济效果 近十几年来优化设计研究的发展情况表明，优化设计己愈来愈多地应用于产 品中，而且取得了显著的经济效果。与传统的设计方法相比，具体表现在： ( 1 ) 采用优化设计可以降低产品台成0 取浔显著的经济效果； ( 2 ) 优化设计过程中所获得的大量数掇，可盖帮助我们摸清各项指标的变化规 律，有利于对今后设计结果做出正确的判断，从而不断提高系列产品的性能： ( 3 ) 用优化设计方法可合理解决多目标的复杂产品设计闯题。 2 3 常用的优化方法 优化方法的种类很多，但在工程优化设计中，常用的优化方法可以租略地按 设计变量的数量、约束条件与目标函数的情况以及求解方法的特点而分为以下几 大类： c h e n g d u s o u t h w e s t 3 i a o t o n g u n i v e r s i t y y 9 7 0 4 09 9 8 西南交通大学研究生学位论文第7 页 ( 1 ) 按变量数量的不同，可分为单变量优化方法( 或一维优化方法) 和多变量优 化方法( 或多维优化方法) 两大类； ( 2 ) 按约束情况的不同，可分为无约束优化方法和约束优化方法两大类： ( 3 ) 按目标函数数量的不同，可分为单目标优化方法和多目标优化方法两大类： ( 4 ) 按求解方法特点的不同，可分为准则法和数学规划法两大类。 2 4 优化设计的一般流程与框图 由于优化设计通常都必须借助于电子计算机进行求解，因此，优化设计的过 程一般是设计人员与咀：子计算机相互作用的过程。它的解算一般流程如图2 - 1 所 图2 1 第8 页 第三章优化设计模型的建立 建立模型是优化设计所包括的主要内容之一，所建立的数学模型是否正确， 是优化设计的关键问题。一个合理的数学模型，应能够准确地反映设计问题所实 际追求的目标、所受的限制、所得优化结果的可靠性及推广使用的可能性。 3 1 设计变量和目标函数 3 1 1 设计变量的确定 设计变量是能够影响设计质量和结果的可变参数，目标函数是以设计变量表 示设计所要追求的某种性能指标的解析表达式。优化设计中实际变量太多，将使 问题变得十分复杂，而设计变量太少，则设计的自由度少，不能求得最优的结果。 因此，应根据具体设计问题综合考虑，合理选取设计变量。 在龙门起重机金属结构系统的优化设计中，以主要部件( 主梁、支腿、下横 梁) 的截面尺寸为设计变量，以金属结构系统的重量最轻为目标函数。 在龙门起重机金属结构系统优化设计中采用如下参数作为设计变量： x 主梁高度 x _ 一主梁宽度( 支腿上端截面高度) x f 一主梁上、下盖板厚度 f 一主梁主腹板厚度 x r 主梁副腹板厚度 ) ( 6 一支腿上端截面宽度 x _ 一支腿下端截面高度 x r 一支腿下端截面宽度( 下横梁宽度) x 。支腿腹板厚度 x 。o - 一支腿盖板厚度 x l 。下横梁截面高度 x 2 - 一下横梁盖板厚度 x l f 一下横梁腹板厚度 以上1 3 个参数反映了龙门起重机金属结构系统的重要结构状况，基本决定了 它的总体重量。变量中x ，) ( 9 一x ；为离散整数变量，其值应取大于或等予6 m m 的双整数值。 3 1 2 目标函数 龙门起重机金属结构的优化设计一般取结构系统的重量最轻为指标来建立目 标函数。因为一般来说，起重机金属结构的重量能体现出机器设备的制造成本。 龙门起重机金属结构系统的重量一般是由以下几个部分组成：主粱的重量g ( 含轨道重量) 、支腿重量g 丝、下横梁重量g 下、上端梁重量gt 、以及起升小 车重量、司机室重量、起重量、梯子平台、主动平台、被动平台、电气系统等重 西南交通大学研究生学位论文第9 页 量。 根据设计要求确定龙门起重机金属结构设计目标由以下四项分目标组成： ( 1 ) 要求主粱重量最轻的目标函数f j ( x ) = g 蕾 ( 2 ) 要求支腿重量最轻的目标函数f 2 ( x ) = g 疆 ( 3 ) 要求下横梁重量最轻的目标函数玛( x ) = g t ( 4 ) 要求上端粱重量最轻的目标函数f 4 ( x ) = ge 由于在现行龙门起重机的设计规范中，对于端梁一般不进行受力及刚度、稳 定性分析。r 根据经验选取结构参数，因此在设计时将上端梁重量作为输入参数。 3 2 截面特性计算 3 2 1 主粱截面特性值计算( 图3 - 1 ) 主梁的设计变量： x ，主粱高度 x r 主梁宽度 x 广一主粱上、下盖扳厚度 x 。主梁主腹板扳厚度 x 广一主梁副腹板板厚度 图中：e - 偏心距 图3 - 1 l ；击+ 置) ( 置一2 _ y + x ，x 一言x 。置( 置一置) 1 截面对中性轴y y 的惯性矩： 2 吉x ，x t 3 + 2 - x ，x ，。e + 壶x 1 一2 置) oz + _ 置4 陇一2 置) 佤一x 。一2 e ) 2 + 西1 - 一2 x ，) f + 置陇瑚，) - f 学一e 1 绕x x 方向的抗弯截面模营： 叫，( 鲁+ e ) c h e n g d u s o u t h w 妯o t o n g u n i v e r s i i y y 9 7 0 4 09 9 8 西南交通大学研究生学位论文第1 0 页 绕y y 方向的抗弯截面模量： w l = 1 l 。l x 。 主粱的截面积： t = 【2 x ；z ，+ o 。+ x ，) 伍。一2 x ，) 】- 担 式中：a 考虑横隔板及纵筋板的系数 主梁的重量： g i = 2 - ( 上+ 2 ，) p 盯 式中： p 钢材的比重 n 考虑横隔板及纵筋板的系数 l 主梁跨度 l 主梁悬臂长度 3 2 2 支腿截面特性值计算 支腿设计变量：( 如图3 - 2 所示) x 2 _ 一支腿上端截面高度 x 6 支腿上端截丽宽度 x ，支腿下端截面高志 x 叠- 一支腿下端截面宽度 k 支腿腹板厚度 x ，广支腿盖板厚度 ( 1 ) 支腿上端截面面积、惯性矩、截面模量( 图3 3 ) 4 = 【2 x ：- x 9 + 2 x 。( x 6 2 墨) 】口 k = 吉嗡。佤一2 墨y + 吾也a ：十三喝玛( 以喝) 2 i r j = i 1 以嗣+ i l - 。一2 局) x 品+ 三- 也( x 6 - 2 x 9 ) ( x ：一一。) 2 吒、| 鼍 ，- i ，x 2 6 一 c h e n g d u s o u t h w e s t j i a o t o n g u n i v e r s i t y y 9 7 0 4 09 9 8 西南交通大学研究生学位论文第l l 页 图3 3 ( 2 ) 支腿下端截面面积、惯性矩、截面模量( 图3 - 4 ) 图3 4 爿2 = 【2 工，9 + 2 z 。口。一2 墨) 】口 以：= 吉- 置。- ( x 。一2 x ，) 3 + i 1 x ，；+ 三x ，以伍。一x ，) 2 w 刊y 鼍 伍。一2 x 。) x 盎+ 吾扩伍。一2 x ，船，1 2 ( 3 ) 支腿中间截面面积、惯性矩、截面模量 4 = 阮十五) - 五十五。阮+ 墨一4 五) 】口 k = 1 x s 训+ 沁m 墨( 学一墨) 2 + 扭( 半也) 2 = 去玛仳+ 玛r + 吉( 益笋一z 五 碥 + 吉一。阢+ 以一4 五) + 局一2 墨。) 2 c h e n g d u s o u t h w e s t j i a o t o n g u n l v e r s i t y y 9 7 0 4 09 9 8 1 6 + 3 ， 吖局了 工 ! 。“ 2 如 西南交遇大学研究生学位论文第1 2 页 ，= 4 以，佤+ 五) ，= 4 ，r ，( x 2 + x 7 ) ( 4 ) 变截面支腿的折算惯性矩 根据龙门起重机支腿的受力情况，从等强度的观点，支腿通常都做成变截面型 式。 为简化计算，通常将变截面支腿根据刚度相等的条件，折算为等截面的支腿进 行计算。 变截面支腿折算惯性矩的确定： t 1 = | 。；| | 。、 n 。| i 。 由q ，值查 i 中表8 - 8 得到相应的值，则支腿的折算长度为： l 。= 亭- 气 式中：h 腿支腿的长度 ( 5 ) 计算支腿折算截面特性： 设折算截面的高度和宽度分别为a ，b ，则孝 口= x 7 一善( 。b x 2 j b = x i 一毒嗨s x 6 1 折算截面面积为： f 折= 2 。口x 9 + 2 【6 2 爿；) x l o 折算截面的特性值为： k = 吉蜀。( 6 。五) 3 + 扣昝- r 1 ( 6 一置。) 2 ，j 祈= 丢蜀口3 + i 1 ( 6 2 墨) 聪+ i 1 x l o p 一2 局) o 一置。) 2 ( 6 ) 支腿的重量 g 腿= 4 f 折l 折p 口 3 2 3 下横粱截面特性值的计算( 图3 5 ) c h e n g d u s o u t h w e s t j i a o t o n g u u l v e r s i t y y 9 7 0 4 0 9 9 , 8 西南交迁大学研究生学位论文 第1 3 页 下横梁的设计变量： x 8 一下横梁宽度 x 。下横梁截面高度 x 。：下横粱盖板厚度 x ，下横梁腹板厚度 k +x ” - _ r x 下横梁截面面积： f 下= 2 x s x 1 2 + 2 - x 1 3 【置i 一2 - 置：) 下横梁截面特性值： ，肝= 吉x 1 3 ( x 1 1 - 2 x i ：) 3 + i 1 x s 碾+ 圭x s ( x 1 1 - x t ：) 2 l y t = i 1 低- 2 x i ：) z 三+ 吉置，- _ 2 x - ：) 口s x - a ) 2 + i 1 x 1 2 z ； w 秆= 2 ，l 弭 x 、1 w 盯= 2 i 开| x 8 下横梁的重量： g 下= 2 辟b p a 式中：b 大车轴距 3 3 约束条件的建立 龙门起重机金属结构系统的优化设计应以现行的设计计算方法及起重机设计 规范中的规定为依据，建立约束条件；使结果能全面地满足强度、刚度、稳定性 以及制造工艺方面的要求。在进行强度、刚度和稳定性分析时，需用一理想的力学 模型来代替实际的结构物。这种力学模型称为起重机金属结构系统的计算简图。 将实际上的金属结构简化为计算简幽，包描结构本身的简化、支座的简化和作 用载荷的简化。简化结构本身时，构件用其轴线来代替；变截面构件近似为等截面 构件；杆件之间的节点，根据金属结构的类型，简化为铰接点或刚接点。 由于龙门起重机的跨度不大( 大多在3 5 米以下) ，主梁温度变化的影响以及大 车运行时偏斜的影响相对较小，因此龙门起重机的主梁和两条支腿大多采用刚性连 接，这样使结构的水平刚度增大，有利于大车运行。这种具有两个刚性支腿的龙门 起重机通过双轮缘的大车走行轮支承在轨道上，轨道侧面与轮缘有2 0 3 0 r a m 的间 西南交通大学研究生学位论文 第h 页 隙。车轮踏面与轨道间的滑动摩擦力和车轮轮缘与轨道侧面相接触共同形成侧向约 束，产生横推力。其中轮缘与轨道相接触的约束是主要的。为便于分析，轮轨间的 滑动摩擦约束作用忽略不计。实践表明，在大车运行或不动的情况下，轮缘与轨道 侧面相接触情况时而出现，时而消失，即横推力有时有，有时没有。有横推力时， 龙门架为一次超静定刚架，如图3 6 a 所示；没有横推力时，龙门架为静定支承的刚 架，如图3 6 b 所示。由a 、b 两种情况相比较，主梁按静定简图计算为最不利工况， 参见图3 6 c ，而支腿按一次超静定简图计算为最不利工况，如图3 6 a 所示。 ( b ) 图3 - 6 ( c ) 3 3 1 主梁的约束条件 根据龙门起重机工作特点确定的龙门起重机主梁的约束条件包括：起重小车位 于跨中时跨中的强度和刚度条件、起重小车位于悬臂端时支座处的强度和悬臂端的 刚度条件、以及主梁的整体稳定性约束条件和局部稳定性约束条件等等。 ( 1 ) 跨中截面的正应力约束条件： 主梁在各种外载荷作用下，通过主梁的截面设计参数，求得主粱跨中最大正应 力0 。，于是有： g l ( ) = 1 0 r j d 中0 叩弘孥+ 管j 式中： 肘肿， t 中计算所得的水平及垂直方向梁跨内最大弯矩： 玮0 ，氓相应的抗弯截面模量。 ( 2 ) 主腹板上方局部挤压应力约束条件： 鲤垫幽塞生丝墼塑堕 9 2 似) = 纠一0 p 。西百司瓦 式中： h 。轨道高度。 ( 3 ) 跨中腹板最大剪应力约束条件： ) = 【r 】一q 0 m nq 中。 q 2 丽+ i 面了习 以= ( x j x ，) x 。- 0 5 爿j 一0 5 x ，) = 吉- x ：- x ，- 瓴一墨) + i 1 伍。+ x s ) - 一2 墨) 2 式中： 跨中腹板最大剪应力 m n 最大扭矩 q + 最大剪切力 ( 4 ) 跨中主腹板与翼缘焊缝处复合应力约束条件： 跨中主腹板与翼缘焊缝处的正应力。和剪应力t 及小车轮压引起的挤压应力。 挤求得后，复合应力o ，中为： o r 中= 盯2 + 仃袭一盯十3 r 2 得： ? 。( y ) = 1 1 b 卜仃冲o ( 5 ) 小车位于悬臂端时支座处截面的正应力约束条件： g ，伍) = b 】仃支0 吁鲁+ 鲁 c h e n g d u s o u t h w e s t , l i a o t o n g u n i v e r s i t t y 9 ，0 4 0 9 9 8 西南交通大学研究生学位论文 第1 6 页 式中： 嚷小车位于悬臂端时支座处的最大正应力； m 坡， 0 支计算所得的水平及垂直方向梁支座处最大弯矩； 炜0 ，睨相应的抗弯截磺模量。 ( 6 ) 小车位于悬臂端时支座处截面的剪应力约粜条件： g 。似) = 【f 】一& 0 妒老+ 耥 式中； q 小车位于悬臂端时支座处的最大剪应力； q a 小车位于悬臂端时支座处的最大剪切力。 ( 7 ) 小车位于悬臂端时支座处截面的复合应力约束条件： 9 7 似) = 】0 j 。瞳0 盯吱= 扣至+ 3 幢 式中： o ，支小车位于悬臂端时支座处截面的最大组合应力； 强计算截面腹板与上翼缘板连接处的剪应力； o 支计算截面腹板与上翼缘板连接处的正应力。 ( 8 ) 满载小车位于跨中时的静剐度约束： 按规范取主梁跨中的允许静挠度为跨度的1 1 0 0 0 ，计算求得主梁跨中的静挠度 f 。后，得 g s ( ) 2 志一石o = 篙- c 2 q = 丢( ，一睾3 s 一( 一兰) 2 西南交通大学研究生学位论文第1 7 页 式中： i ，_ 一主梁跨度； b 一小车轴距。 ( 9 ) 满载小车位于悬臂端时有效悬臂端的静刚度约束条件： 按规范取悬臂端部的允许静挠度为有效悬臂长的1 3 5 0 ，经计算求得悬臂端的 静挠度f 2 后，得 g ，) 2 蠡一厶枷 厶= f 茜置o + 厶) c 3 c ，= 一三彘陪b + 匐一三( 书3 式中； l ，主梁悬臂的有效长度。 ( 1 0 ) 主梁的整体稳定性约束条件 主梁的接体稳定性通过限制梁的高宽比来达到目的。据【2 】p 。所述：“当箱形截 面组合梁的高宽比值不大于3 时，可不验算主梁的整体稳定性”，于是得： g l o = 3 - 争0 3 3 2 支腿约束条件的建立 ( 1 ) 支腿上端截面强度条件约束； 叩嚣+ 半+ 等洲 1 矾丘矾 。 g i l = 纠一o l 0 ( 2 ) 支腿下端强度条件约束： 吒= 案、够挚川 c r 2 2 面 1 f 三m 9 1 2 = 纠一0 2 0 ( 3 ) 支腿中间截面强度条件约柬： 西南交翅大学研究生学位论文第1 8 页 吧= 等+ 半印， 9 1 3 = m 一0 ( 4 ) 支腿上端截面双向压弯稳定性约束： 盯i ：娑+ 娑+ 掣兰缈】 既既鸣虹 。 9 1 4 = m 一盯：0 ( 5 ) 支腿下端截面双向压弯稳定性约束： 吐= 筹+ 错跏h s g 。5 = h 一以o ( 6 ) 支腿中间截面双向压弯稳定性约束： 以= 筹+ 等一，s g 。= p 】一盯：0 3 3 3 下横粱强度约束条件的建立 求得下横梁中最大正应力0 。为 = 篆+ 等 式中： ，沙m j 。下横梁弯矩最大截面的垂直及水平弯妒 ，。，相应的抗弯截面模量。 9 1 7 = 川一0 3 3 4 其它约束条件的建立 西南交通大学研究生学位论文第1 9 页 ( 1 ) 桥架水平刚度条件的建立 在求得主梁和支腿在它们的连接处的最大水平变位f a 腿后，得： g l b = 占一以腿0 式中： 6 = b 匏一b 孰 6 许用的最大水平变位； 6 齄小车轮距； b 抽小车轨距。 ( 2 ) 几何约束条件 主梁的设计形式为偏轨箱形梁，要求主腹板的厚度要大予副腹板的厚度，得： 9 1 9 = 五一也0 支腿上端截面的宽度应大于支腿下端截面的宽度，) ( 6 ，x 。a ，得： 9 2 0 x 6 一爿j 一口0 支腿上端截面的商魔叠，夕了：支腿下端截面的高度，x 2 x 7 a ，得： 9 2j = 爿j z 2 一口0 以上两式中，a 应取不同的值。 9 2 2 = 局一x 4 0 3 4 主粱、支腿和下横粱的受力分析 3 , 4 1 主梁的内力计算 如前所述，主粱的最不利简图是按两端简支的外伸梁计算，不因其结构型式和 支承情况而改变。其计算简图如下印，7 昕示 _ 丕_ 皿 _ 田3 7 西南交迅大学研究生学位论文第2 0 页 作用于龙门起重机主梁的计算载荷按其方向分为垂直载荷和水平载荷，下面分 别计算这些载荷引起主梁的相应内力。 一垂直载荷引起的主梁内力 垂直载荷包括固定载荷和移动载荷。 1 垂直固定载荷引起的主梁应力 垂直固定载荷包括主梁结构自重，以及安放在主梁上的机械部分、电气部分、 司机室( 对安装了电梯的诧门起重机还应包括电梯的重量) 的重量等。固定载荷以 均布载荷( n l m m 或k n m ) 或集中载荷( n 或k n ) 的方式作用于主梁。 ( 1 ) 均布固定载荷引起的主梁内力 主梁的均布载荷为 ：g m + g _ ，+ g 了c 一+ g r 西 式中： g 。一根主梁的重量： g _ 走台栏杆的重量： g 。- 一小车导电架和供电电缆的重量； g 广小车运行轨道的重量； i 跨度； l 悬臂长度： 谚冲击系数，根据载荷组合取为起升冲击系数磊或运行冲击系数九。 m q + = 警p 。，2 ) m 娃= 要f 2 蜴中= 0 g 支外= 一。7 q 。支冉= 委孽卅工 ( 2 ) 集中固定戴筠弓i 藏女0 立：梁内力 主梁的集中固定载荷主要为司机室重量，它所引起的主梁内力为： 十= 昙g 目c q 目中= 一g 目- c l q 日支冉= g 回( l c ) l o m n 窖d u s o u t h w e s t , d i a o t o n g u n i v e r s i t y y 9 7 0 4 09 9 8 西南交通大学研究生学位论文第2 1 页 式中： g 。司机室的重量； c 司机室距就近支座的距离。 2 垂直移动载荷引起的主梁内力 沿主梁移动的载荷包括小车自重g x c ，额定起重量( 包括吊具的重量，当起升 高度较大时，还应考虑钢丝绳的重量) q ，移动载荷是以小车轮压的形式作用于主 梁的。计算移动载荷时应考虑不同载荷组合下的动力系数和冲击系数。 一根箱形主粱上总的小车轮压如下： 尺：盎：g 堑亟：望 式中： n 一桥架主梁的根数； 以冲击系数，根据载荷组合取为起升冲击系数办或运行冲击系数幽： 动力系数，根据载荷组合取为起升动力系数丸或忽然卸载系数九。 ( 1 ) 小车在跨中运行时引起主梁跨中截面的内力 中= 等笋 = 。掣 ( 2 ) 小车在悬臂端极限位置时引起支座处截面的内力 珥变= r ， 瓯中= 0 q 艘= r 3 小车制动引起的惯性力 = 号固+ )