港口门座起重机四连杆组合臂架结构优化设计研究

摘要

随着港口物流事业的发展，作为港口装卸机械中常用的机型之一的门座起重机的需求量快速提高，起重机的设计方法和设计手段也有了很大程度上的革新。20世纪以来随着电子计算机技术的广泛应用，起重机的创新设计越来越受到工程设计人员的重视。起重机械结构约占整机自重的60％，因此结构优化设计，减轻起重机技金属结构的自重是一个重要的研究领域。传统的优化算法有很大的局限性，随着优化问题的日趋复杂，很多问题难以解决。近年来仿生工程的发展，人们提出了一些不依赖于问题本身的搜索方法，遗传算法作为其中一种在许多领域得到了广泛研究和应用。有限单元法的应用是结构设计史上的一大突破，他给出了精确求解复杂结构应力分布的方法。ANSYS是一款通用的有限元分析软件，受到了很多设计人员的青睐。
　　 本文以16t-30m门座起重机为研究对象，在总体设计的基础上，提取四连杆组合臂架系统的结构外形尺寸参数。运用材料力学和结构力学的相关计算方法，建立臂架系统的结构优化设计数学模型。运用MATLAB遗传算法工具箱，实现臂架结构的优化设计，输出优化结果。运用大型通用有限元分析软件ANSYS，建立臂架系统的APDL参数化模型，验算遗传算法优化结果的可行性，并以遗传算法的优化结果为迭代初始值，基于一阶优化方法进一步对臂架系统进行优化设计。经圆整后，输出最终优化结果，达到提高起重机设计效率的目的。
　　 通过两种优化方法的结合，可以在满足相关规范条件下，使结构的重量更轻，截面尺寸参数更为合理，提高结构设计的科学性，为同类产品的设计提供理论依据，具有一定的参考价值。可以预见结合遗传算法和有限单元法的优化设计将越来越受到重视，在各行各业的应用也越来越多。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究目的和意义

1．2 国内外相关研究现状与发展动态

1．2．1 起重机结构现代设计方法

1．2．2 遗传算法在机械优化设计中的应用

1．3 课题研究内容

第2章 结构优化设计理论及相关技术

2．1 优化设计技术理论

2．1．1 结构优化设计的特点

2．1．2 结构优化设计方法和准则

2．1．3 结构优化设计的步骤

2．2 基于遗传算法的结构优化设计

2．2．1 遗传算法的基本原理

2．2．2 遗传算法的实现过程

2．3．3 遗传算法应用的关键

2．3 本章小结

第3章 组合臂架结构优化的数学模型

3．1 最优化设计的数学模型

3．2 16t-30m门座起重机简介

3．2．1 门机的主要技术参数

3．2．2 臂架系统结构参数提取

3．2．3 组合臂架结构金属材料

3．2．4 臂架系统载荷和载荷组合分析

3．3 组合臂架结构优化设计数学模型

3．3．1 设计变量的选取

3．3．2 目标函数的建立

3．3．3 约束方程的确定

3．4 本章小结

第4章 组合臂架结构优化设计的遗传算法实现

4．1 MATLAB遗传算法工具箱简介

4．2 遗传算法工具箱使用步骤

4．2．1 M函数的编制和函数句柄

4．2．2 启动遗传算法工具箱

4．2．3 优化问题的定义

4．2．4 选项参数的设置

4．3 基于遗传算法的组合臂架结构优化设计

4．3．1 象鼻梁和大拉杆结构优化设计

4．3．2 臂架结构优化设计

4．4 本章小结

第5章 基于ANSYS组合臂架结构的优化设计

5．1 ANSYS简介

5．2 基于ANSYS的优化设计

5．2．1 基于APDL的优化设计概念

5．2．2 基于APDL的优化计算方法

5．2．3 基于APDL的优化设计过程

5．3 基于APDL的组合臂架结构分析

5．3．1 组合臂架结构参数化有限元模型的建立

5．3．2 组合臂架结构有限元分析结果

5．4 基于APDL组合臂架系统结构优化设计

5．4．1 状态变量和目标函数的选取

5．4．2 优化设计的APDL程序开发

5．4．3 优化结果的分析与验证

5．5 本章小结

第6章 总结和展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文与参加的科研项目