岸边集装箱起重机结构动力修改

1、岸边集装箱起重机结构动力修改苏!晴，卢耀祖，张!氢，罗志凡（同济大学!机械工程学院，上海!H!）!摘要!针对集装箱起重机复杂的动力学模型#使用 /7:6:软件对其有限元模型进行结构动力修改$首先通过模态分析确定结构的振动特性#确定优化目标%以关键部位的板厚为设计变量进行优化#并对优化结果作了灵敏度分析以判断离散设计变量的取值方向$优化结果较大地提高了集装箱起重机的动力性能#表明了 /7:6:软件能处理复杂模型动力学优化问题的可行性和有效性$!关键词!集装箱起重机%有限元%动力修改%优化!中图分类号B0!$K#! !文献标识码+! !文章编号%,)-#!#$%,#(,(/3=#/=3)*4.-+

2、#+*&#-/.2; 9!6 78% 9(#;2#2; %;7!#7! ;7!式中!56*目标函数或状态变量的近似值%!2;*第 2个设计变量%!8#56#其中 6 为实际目标值$; ! 5 ! 7 (%?+11=1? 7 (%? 6? 6? !?7!?7!式中!%?*第?组设计集的权系数% !;*目前设计集的总数目$权系数可按如下方法选取)!%小的目标函数值取高的权值%!接近最优设计集的那组设计集取高的权值%!(可行设计集取高的权值#不可行设计集取低的权值%!上述(种方式的组合%!)所有权值都取为%$最小二乘法确定系数8&!通讯地址苏晴，上海市同济大学机械南馆( !#$% !上半月刊)!入局

3、部最小点#一般来说$一个问题需要同时采司机长时间在该频率状态下工作易产生疲劳#因用!种优化方法$先用函数逼近初步求得最优解基 此结构动力修改的目标是提高该阶振型的频率#本位置$再对最优解的位置进行更精确的确定#7!有限元模型和模态分析786!有限元建模以青岛港 &)J%&); 岸边集装箱起重机作为研究对象$采用通用有限元软件 /7:6:对其进行结构动态优化#其结构及参数由上海港机重工提供$单元用线性两节点梁单元 !+R/.%&杆单元!OP7G%以及质量单元 !./:!%#所采用的设计变量需采用参数化建模#由于各节点位置以及梁几何截面已在设计时成型$只有板厚可以调整$故在建模时将各板厚尺寸加以参

4、数化#施加载荷位置在节点 %)&%&处$在底部节点 %&!& (&处施加约束 !见图%#图7!起重机结构前四阶振型9!集装箱起重机结构动力修改986!设计变量和目标函数由于各节点位置以及梁几何截面已在设计时成型$只有板厚可以调整$故在建模时将关键部位板厚尺寸作为动力优化的设计变量$共计 )个变量#设计的目标是提高第三阶频率#图 !起重机有限元模型987!状态变量6!;/;+节点 ! 点和%&点在载荷下的竖向位移%)787!模态分析%)&%&以及结构的总体积 & 直接影响到起重机有限元模型建立后$进行模态分析以确定结的性能与制造成本$故将此(个参数作为状态变量构的动态特性#分析发现$起重机模型的

5、第一阶进行约束#同时$结构振动的其它几阶频率作为振型为前大梁在 AB 平面内的水平一阶横向振状态变量加以约束#动$第二阶振型为后大梁在 AB 平面内的水平一989!优化取值阶横向振动$第三阶振型为起重机门框沿 A 轴方首先采用随机搜索法进行多次循环搜索$每次向上一阶前后振动$第四阶振型为前后大梁的扭循环设计变量随机变化#主要研究整个设计空间和曲振动 !图 !#可以看出$第一和第二阶振动是搜寻设计域$为零阶优化分析提供合理起始解#然前后大梁的水平方向上的局部振动第四阶模态后采用零阶方法和一阶方法依次进行优化#由于板是前后大梁的局部扭曲#最重要的是第三阶模态$厚是标准的$因而设计变量实际上只能离散

6、取值$它是整个门架在 A 轴方向上前后振动$在整个结而优化则是按连续变量来处理$因此最后需在最佳构动态分析中占主导地位#这一振型对司机室的解处对每一变量做一次灵敏度分析$确定板厚的调影响非常大$并且该阶频率接近人体的共振频率$整方向#最终优化结果见表%和表!#*! !#$% !上半月刊表6!部分设计变量的优化结果设 计 变 量优化前#;优化后#;板%$%$!海侧上端立柱板!$%!$%&陆侧上端立柱板($%$%板$%&$%海侧下端立柱板%$%$%&陆侧下端立柱板!$%$%梯形架立柱板%$%$梯形架横梁板%$%!$&板!$%$%!表7!目标函数和状态变量的优化结果优化前优化后目标函数第三阶频率#D

7、E$#$)第一阶频率#DE$!($!&!#第二阶频率#DE$()%$)HH第四阶频率#DE%$%#$H!节点 !方向最状态变量%) $(#!$(大位移#;节点 !方向最%& $(#H($(H&(大位移#;结构的总体积 # (#H$)!H#$(%)& ;98:!静强度校核对优化后的结构作静强度校核$最大应力为%H.UN$优化后的结构满足强度要求%:!结论!%以提高岸边集装箱起重机第三阶固有频率为目标$采用有限元软件对其进行结构动力修改$优化后的目标由 $#DE提高到 $)DE$增加了 H$I$ 结 构 总 体 体 积 从 #H$)!H;( 减 至#$(%);($减少了 !$#I%在结构总体积减少

8、&其他约束条件得到满足的情况下使结构的第三阶频率有较大的提高$改善了结构的动态性能%!采用零阶方法和一阶方法对复杂结构的动力学模型进行动力学优化设计取得了很好的效果$说明 /7:6:软件处理这类结构动力修改问题的可行性和有效性%本文为集装箱起重机的动态性能提供了改进措施$也为工程中的实际问题提供了有效的解决手段%!参考文献%(曹树谦$ 振动结构模态分析)理论&试验与应用.($ 天津大学出版社$!%$!(陈宝林$ 最优化理论与算法 .($ 北京*清华大学出版社$%HH$!责任编辑#马!俊&$上接第A7页%$T$%f0!K%$%#(!f0K#$!%$T$%(&f3!&$f3%H)$)! !H$H!

9、$T 4$%(式中!$)aL2.9V1VVJ1VV应力$.UN+其他符号含义同前%;!结论根据支重轮实际工作条件$利用 /7:6:软件建立支重轮非线性力学分析有限元模型$经 D1JE 公式验证有限元接触应力结果$得到 aL2 .9V1V VJ1VV应力在接触过程中的应力状态图$并提出以有限元 aL2.9V1VVJ1VV应力作为设计依据的经验公式$可指导结构设计$提高材料利用率$避免非线性有限元分析的复杂过程%!参考文献%(张质文&虞和谦等$ ,起重机设计手册-$中国铁道出版社$%HH$($!(/$Z$:$UL2J1$/$0$D1N1$G$O$AL52VL2$ /,94NJ9L2LXJ51G921;NJ94N:5NC1L2B51L1;JLZL923 N2 :9923 UL92J O921 WL2JN4J$