基于iSight平臺的港口起重機結構分層動態優化研究*

劉海洋，胡 波，王昊飛，馬 月，戴文秀

（1.上海海事大學上海離岸工程研究院，上海 201306；2.廣東深圳鹽田國際集裝箱碼頭有限公司，廣東深圳518081；3.上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 201913）

0 引言

港口起重機械作為碼頭生產過程中的物料搬運設備，正朝著高參數、高效率、輕量化方向發展。特別是隨著有限元分析軟件功能越來越強，以及智能優化算法的不斷涌現，為起重機結構優化提供了有力的工具。

在港口起重機結構優化方面，國內外已經進行了大量深入的研究[1]。邱惠清等[2]計算岸橋長腰形節點板與圓形節點板的應力分布，進行構件優化設計。針對某些設計變量只能取限定離散值的情況，楊春松等[3]提出集成遺傳算法、模擬退火算法的混合優化算法，對橋門式起重機結構進行了優化設計。戚其松[4]提出了一種新穎的全局優化方法——鏡面反射算法，應用于起重機結構輕量化設計。結果表明，該方法具有收斂于全局極值的能力和較好地處理離散優化問題的能力。凌智勇、張志生[5]將響應面法和粒子群算法應用于船用起重機臂架截面參數優化。范小寧等[6]基于模擬退伙遺傳算法，開發出可以快速完成橋式起重機箱形主梁設計的可視化軟件。李艷等[7]集成零階優化、參數圓整、局部再優化等優化設計方法，開發了具有參數化設計、輕量化優化等功能的起重機快速輕量化設計軟件。

目前大部分研究集中于結構件優化設計中，而港口起重機械優化設計屬于復雜工況下運行的多目標多學科動態優化問題。體現在設計變量包括涉及整機參數、截面尺寸等，多為離散變量且尺度差異大，要考慮靜態、動態疲勞穩定性等多種約束條件，優化問題維度高、目標多。直接進行大型結構的動態優化，單純使用一種軟件、某種算法，往往會出現數據量過大、優化周期過長、局部收斂甚至不收斂的情況，很難得到優化解。需要借助能夠跨平臺、多層次、集成多種優化算法的輔助優化軟件平臺。

在這方面，由唐兆成研發的ISight優化軟件[8]，具備廣泛的CAD/CAE等程序接口，可以集成多種優化算法，實現復雜的仿真流程。張仲禎等[9]結合Patran參數化建模與ISight優化軟件，提出了同時考慮布局優化和尺寸優化的飛行器結構兩級優化方法。葉永偉等[10]應用ISight軟件集成ANSYS研究橋式起重機主梁截面尺寸優化。秦仙蓉等[11]采用動態子結構方法應用動態分層優化方法進行整體層和局部層的動態優化，有效改善了7 500 t浮式起重機金屬結構動剛度性能。張英等[12]將響應面模型、蒙特卡洛模擬法和6 σ質量設計相結合，以橋架的結構強度及靜剛度為約束條件，對橋式起重機主梁進行穩健優化設計。

本文在ISight平臺上實現大型港口起重機結構多目標分層優化，集成Matlab與ANSYS軟件，以整機性能優化和局部構件輕量化為目標，嵌入先進優化算法，從而實現優化過程自動化及優化變量的離散化，并以大型岸橋結構為例進行優化設計。

1 基于iSight的港口起重機結構分層多目標優化方法

港口起重機結構優化一般以動靜態性能指標（如強度、頻率、靜剛度、疲勞、穩定性等）和重量為目標函數或約束條件，結構設計參數（如門框類型、外形主尺寸、截面尺寸、加筋布置等）作為設計變量。

參照一般設計流程，在iSight平臺上構建結構優化流程，優化設計步驟可分為：

（1）初步設計，建立初始模型

根據碼頭用戶要求，在相似機型的基礎上修改，完成結構的總體布局設計，初步確定整機外形、主尺寸及截面尺寸等，在有限元軟件中建立模型。

（2）整機結構優化層

起重機械整體層優化對應于結構設計中的總體設計，以整體靜動力學特性（如頻率、靜剛度、強度等）為優化目標，整機主要外形尺寸為設計變量。在有限元模型中，通過改變節點位置等，實現整機結構性能優化，從而為局部層優化提供較優的整機外形尺寸。

整體層優化一般涉及多個優化目標，為多目標優化問題，可以通過Matlab等軟件引入合適的多目標優化算法搜索最優值。

（3）結構件優化層

局部層對應于常規設計中局部結構截面的詳細設計階段，一般以結構重量最經濟化為優化目標，局部結構件尺寸為優化變量，是單目標優化問題，可以選擇合適的單目標優化算法。同時，約束條件包括強度、剛度、穩定性、疲勞等，還應保證整體層優化結果在一定可接受范圍內。

（4）優化結果協調校核

分層優化解策略必然會影響優化問題的整體性，每層優化都是在上一層優化結果上進行的，尋優空間受到了制約，所以任何分解方法都必須建立合理的優化結果協調關系，才能降低分解造成的不利影響。設計者需要根據不同設計要求評估每層優化結果，以確定此次優化是否合理，并指定進入下層優化的數據范圍。

該優化方法具有以下特點：

（1）與起重機結構設計過程一致，易于實施，層次簡單，具有一定的普適性。

（2）整體層和局部層相對獨立，不僅可以分別采用適合本層優化問題的算法，而且在需要增加某個優化指標時，可以添加到相關層的目標函數或約束中，不會破壞原優化模型的基本形式，適應性較強。

（3）ISight平臺可以通過自帶的集成組件Simcode組件將 Soliworks、ANSYS、ADAMS、Matlab、Fluent等專業軟件根據需要組合，實現數據流通及交換功能，充分發揮每個環節的軟件優勢，提高優化設計的效率和準確性。

2 岸邊集裝箱起重機結構優化算例

本節以某型號岸邊集裝箱起重機（岸橋）為例進行結構優化設計。

2.1 有限元參數化建模

主要設計參數包括：額定起升重量74 t，最大前伸距71 m，后伸距20 m，大車軌距30 m，大車基距20.3 m，起升高度：44 m（軌上）/23 m（軌下），起升速度：75 m/s（滿載）/180 m/s（空載），小車運行速度240 m/s，工作風速25 m/s，非工作風速55 m/s。

根據設計經驗，參照相似機型，確定整機結構形式及初始參數，利用Ansys軟件建立整機三維節點模型。為了簡化操作，方便流程優化，采用APDL命令流方式建模。箱梁結構使用Beam188單元，小車、吊具、機房等采用Mass21單元，拉桿采用Pipe 288單元。整機一共大約有650個節點。

材料為Q345鋼，彈性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.3。根據岸橋工作情況在大車車輪處施加約束。岸橋有限元模型如圖1所示。

圖1 岸橋有限元模型

所施加的載荷組合根據歐洲起重機設計規范（FEM）確定。由于小車運行位置會影響整機應力分布，參考設計經驗，選取小車在8個較危險的位置（小車海側最遠處、前大拉桿鉸點、前大/小拉桿鉸點中間、前小拉桿鉸點、前小拉桿鉸點與梯形架中間、門框中間、機房中間、小車陸側最遠處）作為載荷工況進行分析。

2.2 整體優化分析

通過整機尺寸的優化，實現岸橋結構在不同危險位置時，最大應力的變化更加平穩、減少結構靜變形、改善動剛度、以及減小整機沿水平方向晃動量的目的。

優化目標函數取3個，分別為：（1）通過合理選擇雙拉桿吊點的位置，實現帶載小車在不同工作位置處時，前大梁的最大應力變化W較小，即滿足等強度條件。（2）整機水平小車運行方向的固有頻率，是衡量起重機結構動剛度水平的重要指標，要求該方向上的第一階固有頻率在一定范圍內f盡量大，求解時將其轉化為求負的最小值。（3）沿小車運行方向的晃動量UXmax，作為第三個優化目標。

根據經驗，選取前小拉桿距海側立柱距離為L1；前大拉桿拉點位置為L2；聯系橫梁距軌面高度為H1；機房距陸側立柱距離H2為設計變量。

對于設計變量的取值也有上下限約束，還需滿足最大應力σmax小于許用值、大梁垂直變形UYmax滿足靜剛度等條件。

建立優化模型表達式為：

應用NSGA-II多目標優化算法，在Ansys軟件中進行模態分析、靜力學分析等，將輸入、輸出文件在ISight平臺上集成，不斷迭代。經過482次的搜索，耗時8 h優化完成。優化結果如表1所示，目標函數變化如表2所示。

表1 設計變量結果對比mm

表2 目標函數及約束條件結果對比

由表中可知，優化后岸橋結構滿足靜強度、動靜剛度條件。優化后，前大梁小車位于不同危險位置時，最大應力的變化更加平穩，沿小車方向第一階頻率有所增加，大梁結構水平方向的晃動量也有相應地減小。同時，前大梁結構最大應力和變形值都比優化前有所減小，改善了前大梁的承載能力。

2.3 前大梁截面輕量化設計

在整體層優化結果基礎上，對岸橋前大梁金屬結構進行了輕量化設計。

前大梁橫截面為異形截面，在有限元軟件中用APDL命令自定義梁截面，實現參數化建模，建立模型如圖2所示。選擇Plane單元類型，進行網格劃分。

圖2 前大梁截面參數圖

考慮到梁截面形狀的改變會產生一些零部件配合問題，只選擇各鋼板厚度 （T1，T2，T3，T4，T5，T6） 和上翼緣板寬度（B1）為設計變量進行優化。

優化目標為截面重量最小，約束條件考慮薄板需滿足穩定性要求，為防止脆性破壞，翼板厚度一般在8～40 mm，腹板厚度一般取6～18 mm。同時，整體層強度、變形、頻率、靜變形、等強度等條件也作為隱性約束條件。

建立優化模型表達式為：

式中，ρ、V分別為岸橋前大梁模型當量密度和體積。

采用MIGA多島遺傳算法求解，同時考慮到實際設計制造要求，板厚取值按限定離散值、長寬等取偶數。在ISight平臺上可以實現設計變量數值類型的控制。

本次優化經過1 000次搜索，歷時12 h左右完成。設計變量及優化前后目標函數與約束條件相關參數對比如表3所示。

經過局部層優化后，前大梁自重由原來的180 t減小為154.19 t，減輕了25.81 t，同時岸橋結構優化結果滿足靜強度、動靜剛度條件。

表3 設計變量結果對比mm

2.4 整體-局部優化結果校核

將前大梁截面優化后的尺寸，代入到整體層結構中重新計算，檢驗整機靜動態性能的變化，如表4所示。

表4 局部層優化結果檢驗

由表4可以看出，經局部層優化后，岸橋整體性能指標變化較小，在可接受范圍內。

綜上，認為經過整體層與局部層的優化后收斂，最終得到優化方案，優化了岸橋結構的動靜態性能及經濟性。

3 結束語

為了提高港口起重機結構性能，本文提出基于ISight平臺實現大型起重機結構多目標分層優化方法，并以岸橋為例實現了結構多目標動態優化設計。該研究可為起重機結構優化進一步深入分析提供參考，還需進一步考慮穩定性、疲勞及機構等的優化設計。