門式起重機金屬結構與優化設計研究

鐘瓊慧（蕉嶺縣水利水電勘測設計室,廣東 蕉嶺 514100）

門式起重機金屬結構與優化設計研究

鐘瓊慧
（蕉嶺縣水利水電勘測設計室,廣東 蕉嶺 514100）

摘 要：起重機的金屬結構作為其自身的骨架，對整個起重機質量和使用性能起著決定性的作用，引起了人們的重視。本文將對門式起重機金屬結構與優化設計進行深入的研究，針對門式起重機在金屬結構方面存在的笨重等問題，提出科學合理的研究思路，希望可以為設計人員優化門式起重機金屬結構設計提供一些參考建議，以促進門式起重機向工作效率高、整機質量輕和生產成本低的方向發展，更好的滿足使用者的需求。

關鍵詞：門式起重機；金屬結構；優化設計

改革開放以來，伴隨著經濟的快速發展和我國現代化建設水平的不斷提高，門式起重機作為一個重要的生產工具被廣泛運用在了國民經濟的各個行業，對國民經濟的發展具有重大的推動作用，受到了人們越來越多的關注。并且隨著對外開放的不斷發展，機電行業也對門式起重機的質量和數量提出更多的要求。如何有效的降低金屬結構的重量和起重機的輪壓，成為門式起重機設計人員共同需要解決的問題，因此，加強對門式起重機金屬結構與優化設計的研究勢在必行。

1 門式起重機的金屬結構參數化模型

1.1 有限元單元法綜述

有限元單元法是一種專門分析復雜結構和問題的工具，也是在變分原理的基礎上，運用計算機將連續的結構分化成多個離散單元來計算近似值的一種分析方法。在分析門式起重機金屬結構問題時運用有限元單元法，可以不需過多的簡化模型，計算結果的精確度也比較高[1]。

1.2 門式起重機金屬結構建模策略

門式起重機的金屬結構的主要包括主梁、底梁、端梁、支腿等部件，并且各個部件一般都是由螺栓進行連接的，結構較為復雜。在運用有限元單元法對門式起重機金屬結構進行分析時，必須要建立一個好的計算模型，只有這樣才能保障分析結果準確無誤。

（1）幾何建模方案分析。要想提高計算的精確度，就必須要選擇一個科學合理的金屬結構幾何建模方案。科學合理的建模方案必須要在降低計算量、滿足計算精確度的前提下，使計算結果清晰明了，方便提取。目前，使用三維軟件建立三維幾何模型非常方便快捷，但是由于門式起重機結構比較復雜，相應的對計算機的配置要求就比較高，所以通常在建模之后，還需要再導入有限元軟件，這樣不僅會浪費很多時間，還有可能沒辦法得到正確的結果，因此在構建幾何模型時最好在有限元軟件中進行[2]。

（2）材料的選擇。由于門式起重機在實際的工作中，吊重工作非常繁重，并且工作環境比較惡劣，因此在選擇金屬結構的材料時要考慮其強度、防腐性、塑性等方面的問題。目前門式起重機比較常用的材料是普通的碳素鋼，這是因為碳素鋼工藝性較好、價格也比較低廉。

2 門式起重機的金屬結構優化設計

2.1 目標函數

結構優化設計要得到我們所期望的目標，就必須滿足多種約束條件，計算出最合適的解。結構優化設計的目標函數就是用設計變量的數學關系式來表示的我們所期望的目標。在實際的門式起重機結構優化設計中，目標函數一般都是重量，當然也可以根據不同的需求將成本、體積等作為目標函數。

2.2 荷載及組合

門式起重機主要在露天工作,它的主要荷載包括慣性荷載、風荷載、自重荷載、起升荷載和側向荷載，如果要計算主梁內力，那么門架將受到所有因素的影響。

2.3 設計變量

設計變量是需要進行優化的獨立參數，結構設計方案可以根據設計內容的不同選擇相應的物理參數或者是幾何參數，這些參數可以用一組向量來表示。

2.4 約束條件

在不同的運動狀態和工況下，門式起重機的穩定性、強度和剛度都屬于約束條件，其中需要具體考慮的約束條件包括靜剛度、靜強度、疲勞強度、動剛度、支腿的穩定性、板的穩定性、不同荷載的整機穩定性和不同方向的整機傾復穩定性等。另外，設計變量的幾何條件也屬于約束條件，它是由變量的邊界條件和變量之間的約束條件這兩部分來構成的。變量的邊界條件不僅考慮到了門式起重機的金屬結構實際的限制因素，而且還考慮到了工藝要求等因素，例如，在實際的工程中，由于門式起重機一般都是在露天工作，比較容易發生門機被銹蝕的情況，因此，為了避免這種情況，在進行門機設計時，面板的厚度都不能小于6mm，這就是變量板厚的下限，即下限值只能取6，而不可以再小；對于變量之間的約束條件，我們可以通過一個例子來說明：如果我們需要矩形截面的高度總是大于其寬度，盡管矩形的高度的上、下限大于寬度的上、下限，但也有可能計算出高度小于寬度的情況，在這時，我們就可以加上高度大于寬度這個約束條件，這樣就避免了時間的浪費[3]。

2.5 優化方法

由于門式起重機結構特別復雜，在加上長期在露天工作，金屬結構要承受的壓力較大，這就要求金屬結構必須要有可靠的穩定性、剛度和強度，因此門式起重機的設計變量非常多，我們就需要用混合離散變量，利用結構模塊化的設計原則，通過BΑSIC程序語言來進行設計，這一方式為優化設計打下了堅實的基礎[4]。

3 結語

門式起重機的金屬結構與設計工作都是非常復雜的系統工程，加強對這兩個方面的研究，是門式起重機提高自身使用性能的內在要求，也是機電行業健康發展的必然要求。我們通過上文對門式金屬結構的分析和研究，可以知道，利用有限元等方法進行設計優化，能夠在提高門式起重機金屬結構的剛度、強度和穩定性的同時，達到減少起重機整體重量的目的。本文的研究可以為門式起重機以及同類產品的結構設計提供參考建議。

參考文獻：

[1]戴明宏,張君霞.U型門式起重機金屬結構離散變量模糊優化研究[J].制造業自動化,2013,35(03):146-149.

[2]韓成龍,綦耀光,徐曉東等.門式起重機主梁結構優化[J].建筑機械（上半月）,2009(07):81-83,86.

[3]巫波.造船門式起重機金屬結構局部屈曲分析[J].裝備制造技術,2012,(07):216-217,230.

[4]洪正,王松雷.門式起重機金屬結構應力測試及分析[J].機械研究與應用,2012(06):81-83.

作者簡介：鐘瓊慧（1975-），女，廣東蕉嶺人，大專，工程師，研究方向：水利電氣工程技術。