大型双梁桁架门式起重机结构设计及优化研究

摘要

门式起重机是一种重要的物料搬运设备，广泛应用于厂矿、车站、港口、电站等生产领域中。随着经济的发展，它不仅在国民经济中占有重要的位置，而且在社会生产和生活的领域的应用也不断扩大。160t双梁桁架门式起重机门架钢结构的重量占整机重量的60％以上，是整个起重机工程系统设计的重要环节。该钢结构设计的合理性和安全可靠性直接决定了起重机的工作能力和工作质量；同时，不合理的钢结构设计参数会降低对资源的利用率。因此，对起重机门架钢结构设计与研究分析已成为该设计领域的研究重点。
　　 本文针对这一情况，采用现代设计方法，对某造船用160t双梁桁架门式起重机钢结构的优化设计理论进行研究。论文首先分析了目前国内外起重机的研究水平及发展趋势，根据造船厂的设计要求，对160t双梁桁架门式起重机的钢结构设计进行了深入的理论研究，提出了较为先进的设计方案，并在ANSYS软件中建模，进行有限元强度和刚度分析。在此基础上，对所设计的起重机建立了优化数学模型，采用遗传算法进行优化计算，完成对桁架门式起重机主梁截面尺寸的优化设计，并对优化结果圆整处理，在ANSYS中重新建模，对其结构强度、刚度和稳定性分析进行了验证。具体内容分为以下几个部分：
　　 ①分析、研究双梁桁架门式起重机工作装置的特点，针对本课题中起重机重量轻、刚度好、作业空间大、作业效率高等设计要求，对160t双梁桁架门式起重机进行钢结构设计研究，同时对起重机主梁及支腿采用规范化设计，然后确定各个设计参数。提出了160t桁架式门式起重机的整体设计方案，并对结构进行选型。
　　 ②用ANSYS软件建立了三维实体模型，通过对双梁桁架门式起重机的计算载荷分析、工况分析、强度和挠度分析，在ANSYS软件中对起重机模型在六个最危险工况下，进行了有限元的静力学分析，验证其强度和刚度，并与初始设计值进行了对比分析；最后运用力矩法，计算了起重机的和力矩，验证了本文所研究起重机的抗倾覆稳定性满足稳定性要求。
　　 ③以起重机单根主梁的重量为目标函数，以桁架杆件的强度和刚度为限制条件，主梁的主要截面各个参数为设计变量进行了优化。此优化问题属于多变量、有约束和非线性的复杂优化问题，本文采用新型优化算法——遗传算法进行优化。调用MATLAB中遗传算法工具箱编制程序进行优化，得出了主梁各截面主要参数的最优值，达到了优化的目的。
　　 ④将优化分析得出的结果与设计阶段的分析结果进行分析比较，圆整后重新在ANSYS中建模并分析计算，对双梁桁架门式起重机的强度、刚度进行再次验证，优化后的整体重量比设计计算的重量减轻了11.76％。验证了此改进后设计方案的正确性和优化方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1国内外门式起重机发展现状及研究趋势

1.2本课题的研究内容和方法

2双梁桁架门式起重机钢结构的理论设计

2.1双梁桁架门式起重机基本参数

2.2双梁桁架门式起重机设计参数的确定

2.2.1主梁桁架主要参数的确定

2.2.2支腿主要参数的确定

2.2.3起重机的设计参数

2.3双梁桁架门式起重机自重的计算

2.4本章小结

3双梁桁架门式起重机钢结构有限元分析

3.1有限元的基本理论

3.1.1有限单元法的提出和应用

3.1.2有限元法的计算思路

3.1.3有限元法的解题步骤

3.2 ANSYS软件简介

3.3双粱桁架门式起重机有限元模型的建立

3.4双粱桁架门式起重机的静力学分析

3.4.1计算载荷分析

3.4.2工况分析

3.4.3强度和挠度分析

3.4.4有限元计算结果的分析

3.5抗倾覆稳定性分析

3.6本章小结

4双梁桁架门式起重机主梁优化

4.1优化设计方法和理论

4.1.1优化数学模型的要求

4.1.2优化方法的分类

4.1.3优化结果的分析

4.1.4机械优化设计的步骤

4.2优化算法的选择

4.2.1遗传算法的介绍

4.2.2遗传算法的优点

4.2.3遗传算法的基本原理

4.2.4遗传算法的基本要素

4.2.5收敛

4.2.6遗传算法的基本实现技术

4.3双粱桁架门式起重机主梁优化数学模型的建立

4.3.1目标函数和设计变量的确定

4.3.2约束函数的确定

4.3.3双梁桁架门式起重机主梁的计算载荷和载荷组合

4.4优化程序设计

4.5实例分析

4.6本章小结

5双梁桁架门式起重机优化结果处理与再分析

5.1优化结果分析

5.2本章小结

6结论

6.1研究总结

6.2后续研究工作展望

致 谢

参考文献

附 录