摘要
随着吊装技术的发展，工程中对履带起重机单机的起重能力要求越来越高，也意味着起重机的自重显著增大。履带板是履带行走装置的重要零件，其不仅承受整车重量及载重，还要承受地面摩擦及碰撞冲击等，因此履带板结构的合理性尤为重要。履带板将驱动轮转动转为行走装置的直线运动，受力相对复杂，实际使用中存在不确定性因素，这给履带板的结构优化带来难度。本文以某千吨级履带起重机为研究对象，利用拓扑优化对履带板结构形式进行探索，再利用尺寸优化对其进行精细化设计，设计出性能优、质量轻的履带板结构。主要工作与研究内容如下： （1）介绍了履带起重机行走装置及各组成部件结构，并阐述履带行走装置的工作原理。根据起重机设计规范和该型号履带起重机的起重性能表，对不同工况下的整机进行受力分析，以确定最危险工况，得到最危险工况下履带板的受力情况，为有限元分析提供条件。 （2）履带板的有限元分析：利用ANSYS Workbench建立履带板在行走装置中三种不同位置的组合模型，由此分析履带板的应力和位移，为优化设计提供基础的分析模型和目标性能参数。此外，为了研究地面凸起对履带板性能的影响情况，建立履带板与凸起地面的组合模型。 （3）履带板的拓扑优化：基于OptiStruct建立履带板在不同位置时的单工况拓扑优化模型，得到单个工况下履带板的材料分布情况。然后基于线性加权法，以加权柔度最小化为目标，体积分数为约束条件，对履带板进行多工况拓扑优化。根据优化结果确定履带板的结构形式，并对其进行二次设计和建模，然后对其性能进行分析与评估。 （4）履带板的尺寸优化：利用ANSYS Workbench的响应面优化模块，对履带板进行尺寸优化。分析设计变量对履带板自身质量、应力及位移的影响程度，以确定最终需要优化的参数变量。采用Kriging模型进行响应面拟合，以质量最小为目标，二次设计履带板在最危险工况下的应力和位移为约束条件，运用MOGA算法对优化模型进行寻优，最终确定履带板尺寸参数。 （5）优化结果对比：优化后履带板的质量降低了5.2%，同时应力更加均匀，履带板在不同位置的最大应力差减小。在支重轮压力载荷情况下，最大应力降低4.97%；在驱动轮驱动力矩情况下，应力降低10.62%；在张紧力情况下，最大应力降低20.70%；并且履带板对凸起地面的适应性更好，应力得到改善。
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