对龙门起重机结构进行动态优化设计的分析

李甜田　杨晓杰　曹辉　温悦

【摘 要】随着社会的发展，动态优化设计在龙门起重结构的应用十分重要。其不仅能够让整体的设计效率得到相应的提升，还能让起重结构体系得到相应的优化。论文主要针对动态优化设计在龙门起重机构的设计进行分析，并提出了相应的优化措施。

【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.

【关键词】动态优化设计； 龙门起重机结构； 分析

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

【中图分类号】TH213. 5；TG65 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0152-02

1 引言

从目前所使用的大多数起重机的设计结构来看，一般都采用了静态设计——动态补偿的设计方法，这种设计方式在一定程度上加强了起重机使用的安全性，并在起重机满足基本使用性能的基础上，使设计的过程也得到了进一步地简化。但是这种设计方法也有一个很大的缺陷，就是在进行设计的过程中，没有进行动态性分析，从而使得起重机在进行实际使用的过程中，很难对其相应的稳定性进行有效控制。

2 动态优化设计在龙门起重机结构的内容

2.1 动态优化设计在龙门起重机中的特性

一般在港口所使用到的龙门起重机中，大多数起重机的安全状况并不够稳定。经过一定的检测，我们可以发现，大多数起重机在运行的过程中，可以非常明显地看到其中的结构振动，而且运行的状态十分不稳定，存在着非常大的安全隐患。由此可见，其中可能存在着动态性的问题。[1]但是这一问题从现有的技术来看，想要得到非常有效的改善，在进行实际操作的过程中，有着很大的难度。

对于龙门起重机而言，方向的刚度控制问题比较难以解决，而且，针对这一方面的问题，也没有一个完善的规定。在进行设计的过程中，也需要将其振动频率控制在一个比较固定的范围，从而计算出相应的频率值。如果在进行实际计算的过程中，得出的频率值比较低，那么就意味着起重机在水平方向的动刚度不足，需要采取一定的措施，来进行进一步地加强。但是在当前没有明确而完善的规定的情况下，就需要相应的技术人员能够在经验足够的情况下，根据实际的情况来进行相应的调整。

2.2 动态系统结构的优化

①系统中暂态响应变化为稳态响应的变化，是随着时间的推移而发生改变的，这是一个振幅衰减的运动。所以为了能够让动态结构体系的受力更加均衡，需要对其约束力进行综合性的计算。在进行约束条件的基础计算过程中，其需要结合整体的数据情况，对其进行综合性的数据分析。

静强度约束条件：静强度的设计准则为结构中产生的最大应力 σmax 不大于结构材料的许用应力[σ]，故提取龙门起重机小车位于跨中时的最大等效应力值 σLmax 和小车位于有效悬臂端的最大等效应力值 σlmax ，并分别给予约束，约束函数 g1（X）和g2（X）为：

g1（X）=σLmax≤[σ] g2（X）=σlmax≤[σ]

②还可以利用加速度的变化来进行相应的计算。在起重机工作的过程中，其中的加速度也在不断变化，可以利用其加速度的峰值，对起重机所吊的物体离开地面最大的动力进行计算。如果计算得出的值在起重机所能够承受最大力的范围之外，就可以说明起重机的结构强度并不能够满足相关要求，需要针对其采取一定的措施，进行一定的改善。[2]

③龙门起重机的设计比一般的桥式起重机是有所不同的，龙门起重机更加注重稳定性。而且，在进行起升的过程中，所发生的振动也比较强烈，使动态衰减时间得到了一定的延长，从而影响工作的质量。其龙门起重机的基本结构图如图1所示：

从图中我们能够清晰地看到，其主要由主梁、柔性支腿、刚性支腿、上横梁、下横梁结构组成。在进行起重的过程中，其底部支柱会承载较大的负荷。为提高龙门起重机结构动态优化设计的效率，利用有限元分析软件ANSYS 优化算法中的最优梯度法进行灵敏度分析。通过灵敏度分析寻找出对结构设计影响大的设计变量，忽略影响小的变量，以提高优化设计效率。

3 动态优化设计在龙门起重机结构的分析

3.1 基于动态分析的结构优化

3.1.1 原因分析

①主梁刚度较弱是结构优化过程中的最主要原因，当大车、小车运行或起制动时，会导致整机沿大车和小车轨道方向剧烈振动。②造成整机作业稳定性变差的主要原因是动态相应时间过长，起升时的速度偏大，这样导致满载起吊瞬间激振力过大。③起重机的其他结构，例如：横梁、支腿等的综合刚度也会对整机动态性能产生一定的影响，同样这也是造成该问题的原因之一。

3.1.2 提出优化改造方案

针对上述产生的具体原因，可以考虑对起重机的主梁以及其他部位的结构进行略微的改进，这样能够使得起升速度降低，并将系统的动刚度提高，最终能够使得整机的动态性能得到改善。龙门起重机结构一般采用双梁箱形截面，截面尺寸决定了主梁的结构刚度，基于该文献的整体研究成果，可以针对龙门起重机的动态进行详细分析，Ansys具有目标性的优化功能，以动刚度即震动频率作为目标，优化变量的数据要做好较为明确的分析，从而让数据的处理效果更加显著。在进行整体的数据处理过程中，其需要对各尺寸进行数据性的优化。部分结构的参数得到了明显的改进，这同样也为起重机的优化改造提供了重要依据。[3]为了将吊重起升瞬间动态的衰减时间缩短，保证起重机具有较高的作业效率，在进行优化改造后，还要对其设计的变量值进行试验分析。从而使得整体的设计更加科学合理。同时在结构体系方面，其需要采用多种不同的方式使得龙门结构起重的效率得到显著性的提升。根据其起重系统的变化情况以及信息系统的局部变化进行综合体系的分析，最终使得龙门起重的体系结构更加合理。

3.2 检验优化方案

利用Ansys可以对进行同等改造后的龙门起重机的模态与起升动载响应分析在改造之后的龙门起重机的各项动态性能都能够使基本规范要求得到满足。同时，还要对数据的变化情况进行具体的数据分析，让起重机的结构体系能够得到较为明显的数据优化。从而让检验的方案更加科学合理。在进行各种数据的方案模拟过程中，其同样需要对龙门起重机的数据进行综合性的汇总，让起重机的各种变化形态都能得到较为及时的变化以及分析。[4]从而让整体的检验方案更加合理。

4 结语

动态优化设计在龙门起重机结构的分析十分重要，其能够让龙门起重结构的设计更加科学合理。在进行设计的过程中，其需要采用多种不同的形式让起重的效率得到提升。与此同时，在进行系统结构的优化过程中，其需要对龙门起重的特性进行全方位的把握。然后，对动态优化设计中的问题进行整体的数据分析。并对起重方案进行整体的检验。最终让动态设计能够符合龙门起重的要求。

【参考文献】

【1】吕军福.龙门起重机结构分析及其優化设计研究[D].上海：上海交通大学，2015.

【2】龚达乐.龙门起重机虚拟仿真系统建模开发[D].北京：北京化工大学， 2013.

【3】阮琪.600吨格构式双小车龙门起重机结构设计及分析[D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2013.

【4】孙守胜.龙门起重机金属结构动力学研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.