L型门式起重机结构轻量化及结构性能非概率可靠性研究

摘要

门式起重机作为重要的起重设备被广泛应用在国民生产各领域，对门机结构实现轻量化设计、可靠性设计以提高其设计水平具有重要意义。目前，门机结构的轻量化研究主要集中在主梁、支腿及上下横梁的截面尺寸参数优化，受门机结构形式的约束，其优化效果和速度有时很不理想。门机的可靠性研究以结构性能的随机可靠性为主，当缺少足够数据来支撑门机不确定变量的概率密度函数时，将难以保证随机可靠性准确、合理。为了提高门机的设计水平，本文提出一种非对称支腿结构形式并引入非概率可靠性方法。
　　本文以32t-26m带悬臂的L型单梁门式起重机为研究对象，采用有限元分析软件ANSYS对门机进行参数化建模，并按GB/T3811-2008的规定对门机进行强度、刚度分析。分析结果表明，门机悬臂端的静刚度不能满足使用要求。对门机进行优化改进时，将门机的参数化模型集成到多学科优化软件Isight中，对门机主梁进行截面尺寸参数优化。门机优化后的强度和刚度性能均满足要求，但自重仅减少0.44％，优化效果很不明显。门机悬臂端的静刚度不足在优化设计过程中起主要控制条件作用，因而本文提出一种非对称的支腿结构形式，应用该结构重新对门机进行轻量化设计。轻量化后门机结构的强度和静刚度均满足要求，且自重减少了12.85％，门机的轻量化设计效果获得了很大提高。
　　考虑门机几何尺寸、载荷、材料特性、冲击系数、动载系数的不确定性，运用非概率可靠性及区间分析的理论和方法，综合利用ANSYS的参数化分析和Isight的近似建模、优化技术，提出一种门机非概率可靠性分析方法。该方法集成度较好，避免了大量重复操作，具有一定应用价值。分析结果表明:门机的非概率可靠度为0.78,不能满足使用要求。
　　建立考虑载荷、材料特性、冲击系数、动载系数不确定性，以门机主梁截面尺寸参数为设计变量的门机结构性能区间不确定性优化模型。利用区间可能度法将不确定性优化模型转化为确定性优化模型;利用门机结构性能的响应面近似模型替代其有限元分析模型以提高优化模型的计算效率;利用区间结构分析方法将两层嵌套优化转化为单层优化问题;最后利用多岛遗传算法求解出门机主梁截面尺寸的最优解。该方法在保障优化求解精度的同时，具有很高的计算效率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景和意义

1．2 起重机发展现状

1．2．1 国外起重机发展现状

1．2．2 国内起重机发展现状

1．3 结构优化设计研究现状

1．3．1 结构优化设计概述

1．3．2 结构优化设计国内外研究现状

1．3．3 结构优化在起重机轻量化设计中的应用

1．4 结构可靠性分析研究现状

1．4．1 结构可靠性分析概述

1．4．2 结构可靠性分析国内外研究现状

1．4．3 可靠性在起重机结构分析中的应用

1．5 论文的主要研究内容

第2章 基于支腿形状优化的带悬臂门机轻量化研究

2．1 有限元法基本理论

2．1．1 有限元法的基本思想

2．1．2 有限元法的分类

2．1．3 有限元法分析的步骤

2．2 有限元分析软件ANSYS简介

2．2．1 ANSYS软件程序架构

2．2．2 ANSYS软件的组成

2．2．3 参数化设计语言APDL简介

2．3 多学科设计优化软件Isight简介

2．3．1 Isight软件程序架构

2．3．2 Isight的分析步骤

2．3．3 Isight中的近似模型

2．3．4 Isight中的全局优化算法

2．4 门式起重机结构有限元分析

2．4．1 门式起重机基本参数

2．4．2 计算载荷

2．4．3 计算工况

2．4．4 材料力学性能

2．4．5 静刚度要求

2．4．6 门架结构静态分析

2．5 门机主梁截面参数优化设计

2．5．1 门机主梁优化设计数学模型

2．5．2 拉丁超立方法确定BP神经网络模型数据样本

2．5．3 建立BP神经网络模型

2．5．4 BP神经网络模型误差分析

2．5．5 BP神经网络的寻优

2．5．6 优化结果分析

2．6 支腿形状优化

2．6．1 主梁和支腿连接宽度对悬臂端静刚度的影响

2．6．2 非对称支腿门机

2．6．3 两种优化模型

2．6．4 基于支腿形状优化结果分析

2．7 本章小结

第3章 基于区间分析的门机非概率可靠性分析

3．1 非概率可靠性理论介绍

3．1．1 区间数的基本概念

3．1．2 非概率可靠性的定义

3．1．3 非概率可靠性的计算

3．2 响应面法介绍

3．2．1 响应面法的基本理论

3．2．2 Isight中响应面模型

3．3 门机非概率可靠性计算

3．3．1 门机结构计算中的不确定量

3．3．2 建立响应面模型

3．3．3 响应面模型误差分析

3．3．4 确定功能函数上、下边界

3．3．5 非概率可靠性结果分析

3．4 本章小结

第4章 基于区间变量的门机不确定性优化设计

4．1 门机结构性能不确定性优化建模

4．2 不确定性模型向确定性模型的转化

4．2．1 不确定约束函数的转化

4．2．2 转化后的确定性模型

4．3 门机结构性能不确定性优化问题求解

4．3．1 响应面近似模型

4．3．2 建立近似区间不确定性优化模型

4．3．3 不确定约束区间

4．4 区间不确定性优化算法

4．5 区间不确定性优化结果分析

4．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文