雙梁橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析

楊軍 王超

摘 要：介紹了雙梁橋式起重機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)、工作特性以及各種分類?？偨Y(jié)國內(nèi)外起重機(jī)的現(xiàn)有發(fā)展?fàn)顩r以及未來趨勢(shì)，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)現(xiàn)有的雙梁橋式起重機(jī)重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析。

由于不同的用途，起重機(jī)的類型也不盡相同，在工業(yè)中也占有越來越大的地位。目前，國內(nèi)重機(jī)研究也在巨大的進(jìn)步中，同時(shí)也在不斷地向智能，大型和輕量化方向發(fā)展。有限元分析，參數(shù)化設(shè)計(jì)，并行工程，協(xié)同設(shè)計(jì)等新研究也逐步應(yīng)用于重機(jī)設(shè)計(jì)與改進(jìn)。進(jìn)而使重機(jī)結(jié)構(gòu)更加合理，性能更好，成本低。

1雙梁橋式起重機(jī)的組成部分

1.1橋式起重機(jī)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為鋼結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)、電氣等幾個(gè)部分。

鋼結(jié)構(gòu)由橋和小車架組成，橋架分為主梁，端梁，走臺(tái)，護(hù)欄和運(yùn)行室五個(gè)部分。小車由兩部分組成，分別為車架和欄桿。專門為天車完成不同的運(yùn)行要求設(shè)置了機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備。它包括三個(gè)部分，即起升器、大型車輛運(yùn)行裝置和小型車輛運(yùn)行裝置。電氣部分由電路和電氣設(shè)備組成

1.2各部分的作用

1）橋架：用于承受各種負(fù)荷且擁有足夠的強(qiáng)度和剛度，從而作為最整個(gè)起重機(jī)最基本的機(jī)構(gòu)。

2）車載載重設(shè)備：是指包括主發(fā)電機(jī)、減速器、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸和驅(qū)動(dòng)車輪在內(nèi)的各種車載零部件，用于汽車裝載沉重物體。

3）大車轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制：橋式重機(jī)大車轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制，使驅(qū)動(dòng)重機(jī)可以沿軌道穩(wěn)定地運(yùn)行，大車轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制有不同的部分，如電動(dòng)機(jī)，減速器，傳動(dòng)軸，聯(lián)軸和車輪，用于在橋式重機(jī)端梁上綁定車輪。

4）工作室：一個(gè)吊倉，用作起重機(jī)，又名駕駛室。包括操縱系統(tǒng)，大型車輛和起降機(jī)制，保護(hù)系統(tǒng)，總控制箱和電氣保護(hù)系統(tǒng)等。

二、雙梁橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1橋式起重機(jī)有限鋼結(jié)構(gòu)的有限元的分析和優(yōu)化。

傳統(tǒng)機(jī)器設(shè)計(jì)在許多方法、經(jīng)驗(yàn)公式和試算工具中使用了經(jīng)驗(yàn)的公式，設(shè)計(jì)完畢后還需對(duì)其進(jìn)行改造。主要尺寸部件經(jīng)校準(zhǔn)審核后，需要對(duì)每個(gè)零件整體結(jié)構(gòu)和主要尺寸部件進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)修改，直到符合設(shè)計(jì)要求完成無誤為止。目標(biāo)達(dá)到了。這個(gè)工程很麻煩，工作很大，容易失誤，嚴(yán)重限制了設(shè)計(jì)的效率。近年來又出現(xiàn)了多種有限元軟件分析方法，極大地有效簡化了軟件設(shè)計(jì)工作過程，縮短了軟件設(shè)計(jì)工作周期。

3.2優(yōu)化分析主要包括尺寸、形態(tài)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等三大類：

1）尺寸優(yōu)化：

機(jī)械設(shè)計(jì)一般采用類比和變形法，這是最簡單最直接地優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。就是尺寸的優(yōu)化。尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量通常是選擇關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)尺寸，即機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)的分析，可以獲得最佳結(jié)果，通過設(shè)計(jì)變量的靈敏性分析，可以獲得設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)。尺寸優(yōu)化在經(jīng)過幾年的發(fā)展，已相對(duì)成熟，完善了，得到了廣泛應(yīng)用。通過對(duì)尺寸的優(yōu)化分析，構(gòu)件最重要的尺寸可以優(yōu)化，使客戶的目標(biāo)函數(shù)獲得最佳優(yōu)化，如最長的壽命，最大的頻率，最佳的經(jīng)濟(jì)性。

2）形狀優(yōu)化：

形狀控制優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的各種幾何空間邊界內(nèi)部曲線和各控制點(diǎn)的形狀坐標(biāo)值模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的各種幾何內(nèi)部邊界曲線進(jìn)行形狀控制。修改控制點(diǎn)坐標(biāo)，產(chǎn)生新的界限曲線，從面上改變了結(jié)構(gòu)形狀。目前，在桿、梁、板等幾種簡單的形狀部件上，形狀優(yōu)化已比較成熟，復(fù)雜的機(jī)械部件也比較成熟。機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究則需要進(jìn)一步的研究.

3）拓?fù)鋬?yōu)化：

對(duì)于尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，產(chǎn)品只是大小和形狀發(fā)生了變化，產(chǎn)品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造并未因此發(fā)生重大改變。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是通過針對(duì)有限元的拓?fù)浞治?，刪除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定承載或少量的承載。的部分材料，保留或擴(kuò)大承載部分，從而得到最終結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。結(jié)構(gòu)的拓?fù)?/p>

最終所采取的變量優(yōu)化即尺寸優(yōu)化，關(guān)鍵是對(duì)主梁剛度、強(qiáng)度有限元的分析，通過構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，對(duì)主梁進(jìn)行頻率分析，在滿足用戶使用需要的前提下，對(duì)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行限元優(yōu)化，提高主梁結(jié)構(gòu)尺寸合理和可靠度，實(shí)現(xiàn)減輕重量，降低成本指標(biāo)。

4橋式起重機(jī)主梁程序化設(shè)計(jì)

隨著目前企業(yè)對(duì)橋式起重機(jī)的逐漸增長，重復(fù)勞動(dòng)使用的時(shí)間也逐漸增多，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也逐漸增多。為了提高設(shè)計(jì)效率，減短開發(fā)周期，需要一種簡單的、精確的、高效的設(shè)計(jì)方法。雙梁橋式起重機(jī)在一般重型機(jī)械產(chǎn)品中標(biāo)準(zhǔn)、系列化度也有所提高，參數(shù)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)也很好，對(duì)其主梁采用 cad 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)法，建立了一套完整的參數(shù)化零件模型，并對(duì)主要參數(shù)的運(yùn)用程序進(jìn)行控制，不僅能避免重復(fù)設(shè)計(jì)，而且對(duì)設(shè)計(jì)的效率提高和改善質(zhì)量都有很大的提高。有重要意義。

4.1 CAD 設(shè)計(jì)方法在國內(nèi)外應(yīng)用層次

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD在企業(yè)的應(yīng)用越米越深入。目前，國內(nèi)外CAD的應(yīng)用主要分為5個(gè)層次：

1）計(jì)算機(jī)繪圖層次：

這一設(shè)計(jì)層次基本質(zhì)上屬于"甩圖版"的一個(gè)設(shè)計(jì)層次，主要設(shè)計(jì)是以二維非圖形參數(shù)結(jié)構(gòu)化的的cad繪圖軟件為主要設(shè)計(jì)目的對(duì)象。

計(jì)工具。特點(diǎn)是：提高了繪圖效率，從一定層次上加快了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。

2）二維三維混合設(shè)計(jì)階段：

作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要工具，生成工程圖，同時(shí)使用三維軟件幫助建立零部件，同時(shí)使用三維軟件的二維幾何結(jié)構(gòu)模型（用于檢驗(yàn)一個(gè)零件模型正確度），實(shí)現(xiàn)了二維裝配部件仿真和三維裝配部件干涉圖的檢驗(yàn)（對(duì)兩種裝配仿真是否得到有效的可行性檢驗(yàn)作了佐證），即二維部件模型->二維裝配部件綜合工程結(jié)構(gòu)圖模型->三維部件檢驗(yàn)->三維加工設(shè)備生產(chǎn)。

3）全三維參數(shù)化設(shè)計(jì)層次：

從三維開始進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用特征參數(shù)化 cad 機(jī)制構(gòu)造零件的三維零部分。參數(shù)化三維幾何裝配模型，對(duì)二維裝配后的模型圖紙進(jìn)行三維插入式參數(shù)檢查，使三維裝配模型所不能體現(xiàn)的主要部件在二維模型圖紙中清晰浮現(xiàn)。因此說它可以有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)無需廢紙的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，無需廢紙的生產(chǎn)制造。即三維加工模型設(shè)計(jì)->維度零部件模型工程結(jié)構(gòu)圖->三維加工材料生產(chǎn)。

4）數(shù)字化設(shè)計(jì)的層次：

數(shù)字化的設(shè)計(jì)是指用計(jì)算機(jī)描繪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工程的分析以及模擬裝配和制造等流程。工程的分析是指在構(gòu)造過程中采用有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及其他分析軟件檢測(cè)該產(chǎn)品的性能和結(jié)構(gòu)，從而最終使產(chǎn)品達(dá)到性能良好、合理構(gòu)造的要求。

5）企業(yè)信息化的實(shí)用位置：.

該位置主要體現(xiàn)在 cad / cae / capp 等集合中，例如使用 plm 系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行企業(yè)文檔管理，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，配置管理，工作流程管理，最終實(shí)現(xiàn) cax / pdm / erp 集合，等等。并且對(duì)于 cad 的更深層次實(shí)用，以及目前開展制造業(yè)信息化工程關(guān)鍵工作的要求，其最終目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部，更深層次地達(dá)到了企業(yè)之間的信息交換和共享目標(biāo)。目前，在實(shí)行制造業(yè)信息化的企業(yè)中，根據(jù)自身的具體情況，已在不同的程度上實(shí)現(xiàn)了該應(yīng)用。

4.2提升3D數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)效率

1）幾何結(jié)構(gòu)：三維建模只考慮了幾何的形狀，建模的思路也不合理，數(shù)據(jù)的重復(fù)使用率也很低。

2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)：三維建?？紤]了設(shè)計(jì)的意圖和設(shè)計(jì)變化趨勢(shì)，建模思想逐步得到合理，數(shù)據(jù)使用率更高。

3）參數(shù)化：三維建模考慮設(shè)計(jì)參數(shù)變化，設(shè)置總體參數(shù)，參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型，數(shù)據(jù)使用率較高，工程人員的設(shè)計(jì)效率提高。

5總結(jié)

由于橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況不佳等客觀因素的作用，加上經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用較少，看得系統(tǒng)的理論知識(shí)較少，本文有不滿之處，尚待進(jìn)一步研究與提高。對(duì)實(shí)際橋式起重機(jī)主梁在橋式結(jié)構(gòu)中的載荷的進(jìn)一步研究，確定了其突如其來壓的規(guī)律和強(qiáng)度，使有限元分析的結(jié)果與產(chǎn)品實(shí)際操作過程更接近。隨著信息時(shí)代的發(fā)展，科學(xué)和有限元技術(shù)的發(fā)步，通過對(duì)有限元的分析，雙梁橋式起重機(jī)主梁的動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)進(jìn)行了分析，最終確定了其在工作過程中應(yīng)力的分布，下?lián)狭亢湍B(tài)振的情況。

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