對龍門起重機結構進行動態優化設計的分析

李甜田　楊曉杰　曹輝　溫悅

【摘 要】隨著社會的發展，動態優化設計在龍門起重結構的應用十分重要。其不僅能夠讓整體的設計效率得到相應的提升，還能讓起重結構體系得到相應的優化。論文主要針對動態優化設計在龍門起重機構的設計進行分析，并提出了相應的優化措施。

【Abstract】With the development of the society， the application of dynamic optimization design in gantry crane structure is very important. It not only can improve the overall design efficiency， but also can optimize the lifting structure system. This paper mainly analyzes the dynamic optimization design for gantry crane structure， and puts forward corresponding optimization measures.

【關鍵詞】動態優化設計； 龍門起重機結構； 分析

【Keywords】dynamic optimization design； gantry crane structure； analysis

【中圖分類號】TH213. 5；TG65 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0152-02

1 引言

從目前所使用的大多數起重機的設計結構來看，一般都采用了靜態設計——動態補償的設計方法，這種設計方式在一定程度上加強了起重機使用的安全性，并在起重機滿足基本使用性能的基礎上，使設計的過程也得到了進一步地簡化。但是這種設計方法也有一個很大的缺陷，就是在進行設計的過程中，沒有進行動態性分析，從而使得起重機在進行實際使用的過程中，很難對其相應的穩定性進行有效控制。

2 動態優化設計在龍門起重機結構的內容

2.1 動態優化設計在龍門起重機中的特性

一般在港口所使用到的龍門起重機中，大多數起重機的安全狀況并不夠穩定。經過一定的檢測，我們可以發現，大多數起重機在運行的過程中，可以非常明顯地看到其中的結構振動，而且運行的狀態十分不穩定，存在著非常大的安全隱患。由此可見，其中可能存在著動態性的問題。[1]但是這一問題從現有的技術來看，想要得到非常有效的改善，在進行實際操作的過程中，有著很大的難度。

對于龍門起重機而言，方向的剛度控制問題比較難以解決，而且，針對這一方面的問題，也沒有一個完善的規定。在進行設計的過程中，也需要將其振動頻率控制在一個比較固定的范圍，從而計算出相應的頻率值。如果在進行實際計算的過程中，得出的頻率值比較低，那么就意味著起重機在水平方向的動剛度不足，需要采取一定的措施，來進行進一步地加強。但是在當前沒有明確而完善的規定的情況下，就需要相應的技術人員能夠在經驗足夠的情況下，根據實際的情況來進行相應的調整。

2.2 動態系統結構的優化

①系統中暫態響應變化為穩態響應的變化，是隨著時間的推移而發生改變的，這是一個振幅衰減的運動。所以為了能夠讓動態結構體系的受力更加均衡，需要對其約束力進行綜合性的計算。在進行約束條件的基礎計算過程中，其需要結合整體的數據情況，對其進行綜合性的數據分析。

靜強度約束條件：靜強度的設計準則為結構中產生的最大應力 σmax 不大于結構材料的許用應力[σ]，故提取龍門起重機小車位于跨中時的最大等效應力值 σLmax 和小車位于有效懸臂端的最大等效應力值 σlmax ，并分別給予約束，約束函數 g1（X）和g2（X）為：

g1（X）=σLmax≤[σ] g2（X）=σlmax≤[σ]

②還可以利用加速度的變化來進行相應的計算。在起重機工作的過程中，其中的加速度也在不斷變化，可以利用其加速度的峰值，對起重機所吊的物體離開地面最大的動力進行計算。如果計算得出的值在起重機所能夠承受最大力的范圍之外，就可以說明起重機的結構強度并不能夠滿足相關要求，需要針對其采取一定的措施，進行一定的改善。[2]

③龍門起重機的設計比一般的橋式起重機是有所不同的，龍門起重機更加注重穩定性。而且，在進行起升的過程中，所發生的振動也比較強烈，使動態衰減時間得到了一定的延長，從而影響工作的質量。其龍門起重機的基本結構圖如圖1所示：

從圖中我們能夠清晰地看到，其主要由主梁、柔性支腿、剛性支腿、上橫梁、下橫梁結構組成。在進行起重的過程中，其底部支柱會承載較大的負荷。為提高龍門起重機結構動態優化設計的效率，利用有限元分析軟件ANSYS 優化算法中的最優梯度法進行靈敏度分析。通過靈敏度分析尋找出對結構設計影響大的設計變量，忽略影響小的變量，以提高優化設計效率。

3 動態優化設計在龍門起重機結構的分析

3.1 基于動態分析的結構優化

3.1.1 原因分析

①主梁剛度較弱是結構優化過程中的最主要原因，當大車、小車運行或起制動時，會導致整機沿大車和小車軌道方向劇烈振動。②造成整機作業穩定性變差的主要原因是動態相應時間過長，起升時的速度偏大，這樣導致滿載起吊瞬間激振力過大。③起重機的其他結構，例如：橫梁、支腿等的綜合剛度也會對整機動態性能產生一定的影響，同樣這也是造成該問題的原因之一。

3.1.2 提出優化改造方案

針對上述產生的具體原因，可以考慮對起重機的主梁以及其他部位的結構進行略微的改進，這樣能夠使得起升速度降低，并將系統的動剛度提高，最終能夠使得整機的動態性能得到改善。龍門起重機結構一般采用雙梁箱形截面，截面尺寸決定了主梁的結構剛度，基于該文獻的整體研究成果，可以針對龍門起重機的動態進行詳細分析，Ansys具有目標性的優化功能，以動剛度即震動頻率作為目標，優化變量的數據要做好較為明確的分析，從而讓數據的處理效果更加顯著。在進行整體的數據處理過程中，其需要對各尺寸進行數據性的優化。部分結構的參數得到了明顯的改進，這同樣也為起重機的優化改造提供了重要依據。[3]為了將吊重起升瞬間動態的衰減時間縮短，保證起重機具有較高的作業效率，在進行優化改造后，還要對其設計的變量值進行試驗分析。從而使得整體的設計更加科學合理。同時在結構體系方面，其需要采用多種不同的方式使得龍門結構起重的效率得到顯著性的提升。根據其起重系統的變化情況以及信息系統的局部變化進行綜合體系的分析，最終使得龍門起重的體系結構更加合理。

3.2 檢驗優化方案

利用Ansys可以對進行同等改造后的龍門起重機的模態與起升動載響應分析在改造之后的龍門起重機的各項動態性能都能夠使基本規范要求得到滿足。同時，還要對數據的變化情況進行具體的數據分析，讓起重機的結構體系能夠得到較為明顯的數據優化。從而讓檢驗的方案更加科學合理。在進行各種數據的方案模擬過程中，其同樣需要對龍門起重機的數據進行綜合性的匯總，讓起重機的各種變化形態都能得到較為及時的變化以及分析。[4]從而讓整體的檢驗方案更加合理。

4 結語

動態優化設計在龍門起重機結構的分析十分重要，其能夠讓龍門起重結構的設計更加科學合理。在進行設計的過程中，其需要采用多種不同的形式讓起重的效率得到提升。與此同時，在進行系統結構的優化過程中，其需要對龍門起重的特性進行全方位的把握。然后，對動態優化設計中的問題進行整體的數據分析。并對起重方案進行整體的檢驗。最終讓動態設計能夠符合龍門起重的要求。

【參考文獻】

【1】呂軍福.龍門起重機結構分析及其優化設計研究[D].上海：上海交通大學，2015.

【2】龔達樂.龍門起重機虛擬仿真系統建模開發[D].北京：北京化工大學， 2013.

【3】阮琪.600噸格構式雙小車龍門起重機結構設計及分析[D].哈爾濱： 哈爾濱工業大學，2013.

【4】孫守勝.龍門起重機金屬結構動力學研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.