《轻量化设计在提升桥式起重机效率方面的应用【论文】》12000字

-[20]选取。一般来说，对于中等厂房结构，取其尺寸为12.00m，考虑厂房内构造设施以及并留有一定的富余，选定主梁跨度为10500mm。生产率P。设所研究桥式起重机功率为25t/h，根据公式计算实际车间生产率（姜立军，陆晓峰，2021）。（2-1）Qe——起重机每个工作循环所吊起的物品重量，n——每小时循环次数（2-2）Tc——循环周期由于每次平均吊起重量理论值略比实际值要大，根据公式关系，按照P=25t/h来设计改进后任然符合工作需求。向量主梁结构类型及选取起重机主梁形式分类主梁可以分为很多种，我们一般按照结构分类，分为箱型梁、型钢梁和桁架梁。其中型钢梁主要是指工字钢，吸纳已有成果可以推导出新的结论以及在其中加入某些加强结构装置的工字钢。箱型梁应用广泛，承载能力要比型钢梁要好，同时具有结构简单的特点且价格也不是高，但同样也有缺点，例如：刚度较差、易产生加大的绕度、翼缘板和腹板通常用焊接连接寿命较短（翁志强，柏晓红，2023）。由此可以窥探桁型梁的承载能力较强并且具有质量轻等优势，不足的是制造工艺较高、造价高。按照起重机设计手册REF_Ref20394\r\h[21]，根据我们的实际跨度和载荷我们应选用型钢梁，简单的工字钢或者是加强型工字钢作为主梁。对于跨度较大、载荷较重的我们可选用箱型梁。我们为了保证主梁上小车的重心折中，可能会加入大载荷配重，所以我们应用箱型梁（袁晓天，孟志远，2018）。箱梁载荷分析这充分说明了再桥架上的载荷受力来源和作用方向可分为四种，即桥式起重机自重Pg、工作载荷Pq、水平载荷Ph、当有斜向加速度是桥式起重机所受的侧向载荷Ps。Pg为自重对主梁的影响即小车的载荷为5000N，PQ为起重机升起载荷的重量，本文研究在起重机受载荷最大时所承载的载荷为50000N。水平载荷受力示意图2-1如下（姚建新，黄思远，2024）；图2-1水平惯性载荷作用图水平载荷为水平惯性力，计算公式如下（高鹏，蔡晓刚，2020）：（2-3）Φ5——动力效应系数，按照起重机设计手册表得1.5。m——带载荷的桥架质量a——运行平均加速度，查表得0.098Ps无法精确计算，按经验公式进行估算（2-4）ΣP——起重机正常满载情况下，最大轮压之和γ——水平侧向载荷系数，查表得0.05箱梁选材箱梁材料的选择。通常而言，铝合金材料具有较好的强度与相应的耐腐蚀性能，因此在桥式起重机会选择此种材料为最佳方案。对于桥式起重机，其设计首先要满足相应机械设计规范的要求，结合之前的成果可以推导出并结合机械的实际应用情况，精准把握好其荷载参数、相应的安全等级条件、使用条件以及机械的使用寿命等。对于材料的选择，尽可能选择铝合金材料作为设计材料，因为铝合金材料具有较好的强度与相应的耐腐蚀性能，因此在桥式起重机会选择此种材料为最佳方案（卢振华，丁晓宇，2022）REF_Ref20502\r\h[22]。本文对上述计划的调试进行了理论探讨与实践测试。在理论探讨部分，详尽讨论了计划的基本概念及其目标，并通过理论框架和逻辑推导为实验提供了理论支持。接着，在实践测试阶段，本文设计了一系列测试来验证计划的有效性和稳定性，采用了精确的数据记录和分析方法确保结果的真实可靠。为了进一步验证计划在不同条件下的实用性，本文选择了几种典型的应用实例，并针对每个实例调整了系统配置，不仅证明了计划的可行性和正确性，也为今后的研究提供了有价值的参考资料。Q235钢材由于造假低廉、分布广泛、就地取材等优点，在制造桥式起重机时会被大量的应用；国外也通常有铝合金代替钢材，其原因是铝合金具有更好的延展性，但价格更加昂贵，所以我们设计以碳素钢Q235设计。表2.1参数数值翼缘板宽B翼缘板厚δ0腹板见距离b腹板高h0腹板厚度δ箱梁跨度L箱梁材料300mm30mm180mm650mm10mm10.5mmQ235受力校核强度校核这一部分是检验主梁在能承受范围内的任何工况下，都可以正常的工作，所以我们应该验证在最大工况下，起重机是否能够正常运行，若能够正常运行，则整个主梁满足强度载荷需求（马思远，樊立新，2019）。该校核应在水平方向跟竖直方向分别进行校核。首先计算出应力大小然后对比最大许用应力，详情如下：垂直方向载荷，受力图如下图2-2所示（倪晓峰，许志强，2021）；图2-2危险截面垂直方向受载荷分析图箱梁所受弯矩主要有箱梁的自重和小车的轮压。箱梁的自重弯矩计算公式：2-5Φ1——起升冲击系数；q——单位箱梁的垂直方向载荷；小车的轮压引起弯矩的计算公式：2-6Pxc——小车自身载荷重量；PQ——升起载荷；L——小车轮压力点与箱梁支撑点的距离；界面水平方向载荷，如下图2-3所示（彭博宇，叶晓红，2023）：图2-3主梁水平方向受载荷分析图箱梁的水平方向所受载荷主要是由于端梁上大车的启动或制动情况下产生的水平惯性力引起，遵循这种理论框架进行调研可获知具体也可以分为两部分来考虑（小车水平力+自重水平力）（冉志国，殷志远，2018）。小车引起的水平惯性力计算公式如下（傅智渊，狄晓鹏，2022）： 2-7a——加速度；φ5——驱动变速动载系数；φ2——起升载荷动载系数；箱梁自重水平惯性力计算公式：2-8根据所受载荷，计算最大许用应力，公式如下：2-9Wx、Wy——箱梁截面x、y轴抗弯模量；Mx、My——箱梁同一个截面上x、y方向的弯矩；[σ]——箱梁的最大许用应力，根据设计手册查的[σ]=σs/1.48。疲劳校核根据相关设计规范，桥式起重机需要对主梁疲劳进行校核，检测满载时疲劳强度下的截面：即两端及跨中部分计算分析，公式如下：2-102-11跨中校核：2-12两端校核：2-13刚度计算与校核垂直刚度，该强度校核还是选择在满载状态下，危险截面来进行计算，因为此时为箱梁垂直方向想绕度最大值，在此特定情境之中不难看出公式具体如下（耿立新，闵晓妍，2019）：2-14P1、P2——满载时小车车轮对箱梁的负载。P1=P2=（Gxc+Q）/4l1——小车轮压与梁端的距离；lxj——箱梁对x轴计算截面的惯性矩；[fv]——垂直许用静绕度，根据设计手册查得[fv]=L/750；水平刚度2-15a——加速度；g——可取9.8；fH——许用上限（一般为跨度1/2000）；稳定性验算在这一部分需要在两个单独的方面进行校核，是从局部和整体分别进行的。整体稳定性（靳志宏，卞晓宇，2020）：该方面校核原因是当箱梁负有一定载荷时，但没有达到材料的极限载荷，此时可能引起主梁的弯曲变形，而引起起重机整体失重，为了避免此情况规定箱型截面的受弯构件的截面高度h与腹板外侧翼缘宽度比值大于等于3时，整体稳定性没有必要性，根据表2.1进行计算，箱梁符合上述条件（匡晓龙，湛志远，2023）。本文在行为思路上也有所创新，作者创新性地融入了前人关于此主题已有的研究成果，在研究深度上有所加强，首先通过综合分析现有文献中的关键理论和实证发现，本文构建了一个更为系统且全面的框架，旨在为该领域的研究提供新的视角和方法论指导。其次，为了确保研究的有效性和可靠性不仅验证了前期理论假设，还进一步探索了未被充分关注的研究空白。局部稳定性：当载荷作用在腹板和翼缘板，会出现局部压力过大的情况，引起形变从而影响局部稳定性。于此相似条件下可以推知其趋势根据表2.1所知，箱梁两腹板/翼缘板厚度一般是不大于60√235/σs，所以对翼缘板稳定性进行校核是非必要性的，我们只需对腹板的稳定性进行校核（赖博文，覃思远，2018）。临界压缩应力、剪应力以及局部承压应力的校核公式如下：2-162-172-18X——嵌固系数，一般区X=1；Kσ、Kι、Km——对应的曲边系数，需按照载荷和变成比的不同对应设计手册查的；σE——受压板的欧拉应力；复合应力为：2-19局部稳定性为：2-20优化前主梁有限元分析静态分析根据前面所述尺寸，完成建模。首先我们按照上述所得尺寸进行草图绘制，然后我们按照主梁的长度拉伸，之后在两端分别加入倒角，鉴于本文的研究环境我们考虑了这种情况的发生再者我们利用替换面对模型的一段进行封口处理，最后我们运用镜像几何体功能运用在模型的另一端，完成建模。模型图如下图（令狐翔，禹晓峰，2024）；图3-1箱梁三维建模（2）用AN阎志国，傅晓宇将NX所建模型导入workbench，进行静态结构分析。流程图如下；图3-2分析流程图在AN阎志国，傅晓宇中添加一种新材料，按照Q235钢的各项物理数据进行定义，输入对应的属性值（慕容志，寇晓红，2021）。这一结果与已有的文献结论大致相同，这也验证了前期研究中所提出的构思，从而进一步拓展了该领域的理论边界。本研究通过引入新的变量和分析方法，为现有理论体系注入了新的活力，使其能够更全面地解释相关现象。同时，这一发现也为后续研究提供了新的理论支点，有助于推动该领域理论的进一步深化和精细化。在AN阎志国，傅晓宇中对所建箱型梁三维模型进行网格划分，网格划分后才能进行下面的各种力分析，根据现有结果可推断使用网格自动化分，本文所设置的网格大小为25mm，网格的大小关系到后续实验的准确性，本文对桥式起重机箱型主梁进行网格划分，每个单元为25mm，共划分为73003个网格单元，所画网格属性以及模型网格图如下（南宫博，邬志新，2019）；图3-3箱梁网格划分后节点网格数量统计图3-4箱梁网格划分效果图对箱梁两端施加约束，只有在施加力时，箱梁不能发生位移的情况下，我们才能够对箱梁进行，后面的实验。由此可以推断所以本文对箱梁的两个端面，施加了一个位移约束以便后续的实验正常进行（欧阳骏，茹晓刚，2022）。对桥式起重机的箱梁跨中出施加载荷。根据小车的重量以及满载时起重机载荷的重量，我们最主梁跨中施加55000N的力。图3-5起重机主梁载荷及边界求解及结果经过AN阎志国，傅晓宇分析，得到下列起重机在承受极限载荷时的形变分布云图和应力分布云图，由图可得最大形变位置出现在跨中，其数值为1.699mm，相对来说比较小；最大应力也出现在跨中上翼缘纤维处，其数值为10.12MPa。图3-7优化前主梁受载时的形变云图图3-8优化前主梁受载时应力云图根据AN阎志国，傅晓宇实验分析，从应力图看来，箱梁的危险截面位于箱梁的跨中位置，由图我们看出箱梁两端所受也是较大的载荷。有图可看出，这种的主梁有大部分的材料是属于低形变区，依这些表现可以推测得出远远的低于材料的性能（裴晓天，轩辕志，2020）。所以，箱梁结构需要进一步优化，这样才能发挥出材料的最大性能，可以达到轻量化的效果，节省材料，发挥材料最大作用，从而符合国家绿色政策。基于AN阎志国，傅晓宇的拓扑优化目前，有限元分析软件已经成为机械设计领域主要的使用方法。而拓扑优化分析与有限元结合分析，能够起到降低产品整体重量，不仅如此，这种方法还能够提高产品效率使设计更科学。在后续的研究中会对已有的研究成果进一步从不同的角度进行优化，会考虑引入国际视角和比较研究的方法，以丰富研究内容并提升其普遍适用性。通过借鉴国外先进经验，结合本土实际情况，努力提出具有前瞻性和实用性的解决方案，推动全球范围内的知识共享和技术进步。因此，AN阎志国，傅晓宇的拓扑优化是整个优化模块中运行执行效率最高的模块，因此在对桥式起重机进行分析时，本文考虑了拓扑优化方式。将静态分析中的模型，导入拓扑优化中，将保留百分比设为百分之九十，由此可以窥探我们得到如下图结果。根据AN阎志国，傅晓宇优化模块规定，红色部分能够消除，灰色部分可以保留（漆志远，阎晓宇，2023）。3-9图拓扑优化结果优化后分析静态分析根据前文的成果重新对起重机进行二次建模，其简化的桥式起重机的模型如下图所示；图4-1有限元模型（优化后）按照上一章赘述，用同样的方法划分网格，网格大小仍为25mm，划分网格为42013个单元。网格统计图以及效果图如下：图4-2箱梁网格划分后节点网格数量统计图4-3箱梁网格划分效果图施加与上章同样的载荷及约束，进行分析。由结果图可得出改进后的梁在受与改进前梁相同载荷时，最大形变位置仍然是梁体的跨中位置，其数值为0.78mm，上一章的结果（1.699mm）有所减小（冉晓辉，司徒博，2018）；最大应力位置发生了变化由一还是得中间位置变成了中间偏右的位置，最大应力为15.061MPa。相关的云图如下；图4-4主梁形变（优化后）图4-5主梁应力（优化后）优化前后主梁质量性能对比根据优化前后建模，并进行AN阎志国，傅晓宇静态分析，根据所得数据，优化后的起重机主梁在最大受载情况下，最大形变比没有优化前的起重机主梁最大受载情况下的形变变小，在应力分布方面在最大受应力变大，最大应力补位改变。详细数据如下表；结构优化前结构优化后最大应力（MPa）10.11815.061最大形变（mm）1.69910.78217总质量（Kg）2585.82124.7减重效果（%）17.83%-PAGE24-总结本文首先，对桥式起重机主梁按照场地要求，查起重机设计手册确定主梁长度，之后按照起重机设计手册进行设计，设计完分别进行刚度校核、强度校核、抗疲劳强度校核以及稳定性校核，运用UG建立好三维建模建立，然后按照事先给定荷载的数值对起重机主梁进行加载，从结果中读取起重机主梁的位移分布和最大应力所对应的区域，然后根据云图来指定相应的优化方案。本文还分析研究了其原理以及优化步骤，并换成拓扑优化的规律结果，得到新型的箱梁结构，并对这个结果进行重新建模，再次进行跟原设计方案相同载荷下的静态分析。与原来起重机箱型主梁比较，改进后的主梁在质量上大幅下降的情况下，依然符合设计要求。参考文献李明，张思远.起重机桥架跨距改制工艺[J]，起重运输机械，2022，41（12），32-35王志刚，赵文涛.结构可靠度分析[M].北京科学出版社,2023:38-45.陈立新，刘建伟.机械结构可靠性稳健设计若干关键问题的研究[D]:[博士学位论文].长春:吉林大学,2021.机械工业部.《关于加强机械行业产品可靠性工作意见的通知》.北京:机械工业部,2021韩晓峰，孙志远.基于改进引力搜索算法的桥式起重机主梁轻量化设计研究[D].中北大学,2018.张卫东，李俊杰.基于改进免疫遗传算法的桥式起重机主梁优化设计[D].中北大学,2014.周慧敏，吴天瑜.基于混沌遗传算法的桥式起重机主梁优化设计研究[D].中北大学,2014赵鹏，钱程远.桥式起重机箱型主梁的改进遗传算法优化设计[J].机械与电子,2015(09):21-23.黄志强，何伟明.桥式起重机箱形主梁的快速轻量化设计研究[D].中北大学,2015.MileM.Savković,MilomirM.Gašić,DobrivojeM.Ćatić,RužicaR.Nikolić,GoranV.Pavlović.Optimizationoftheboxsectionofthemaingirderofthebridgecranewiththerailplacedabovethewebplate[J].StructuralandMultidisciplinaryOptimization,2013,47(2).AbidM,AkmalMH,ParvezS.OptimizationofBoxTypeGirderofOverheadCrane[M]//Gl