摘要
桥式起重机作为一种工业生产不可或缺的特种设备，广泛应用于制造业、仓储物流、航空航天和废物处理等行业。目前，为了确保起重机安全、可靠和高效地执行吊运任务，设计人员盲目地以加大安全系数的方式来应对运行过程中的不确定性、极端工况和疲劳损伤等问题。过高的安全系数导致设备过重、材料大量浪费、制造成本增加、环境友好性较差。因此，在科技进步和市场推动的双重需求下，从减量视角出发，对桥式起重机进行合理的优化设计是起重机械行业发展必然趋势。为此，本文以300t/30m 通用桥式起重机为研究对象，提出基于多理论比选的桥式起重机金属结构优化设计方法。主要研究内容如下： 1）为确定桥式起重机承载能力的裕度，提出基于许用应力/极限状态的金属结构设计方法。根据桥式起重机的工作特点和载荷特征，考虑各实际载荷出现的机率，确定结构最不利工况及危险截面位置；建立桥式起重机的力学模型，分别采用许用应力法、极限状态法分析金属结构的强度、刚度和稳定性，结合许用值/极限值，判断结构的承载能力，给出对应指标的裕度；以 Solidworks、ANSYS Workbench 为建模仿真平台，通过静力学仿真分析验证计算结果的准确性，为后续优化设计提供理论依据。 2）针对传统的设计方法忽略了起重机整机内部各个部件间的复杂相互作用，从设备系统学的角度，提出基于结构功能衍生系数的起重机金属结构优化设计方法。利用解释结构模型理论，准确地描述起重机不同部件之间的相互作用和影响，全面地分析桥式起重机结构的复杂性，识别出对整机金属结构强度影响较大的参数，并对其进行优化设计。在有限元仿真的基础上，将结构功能衍生系数与拟合函数相结合，从而寻找最佳设计参数的组合，在整机服役安全性的条件下，实现金属结构的减量化设计。 3）为提高起重机的设计效率、优化结构性能且减少材料消耗量，提出基于群智能算法的金属结构优化设计方法。以桥式起重机主梁的板厚尺寸为设计变量，以板厚的尺寸限制范围、结构的强度、刚度和稳定性为约束条件，以主梁截面面积为目标函数，构建起重机金属结构的优化设计模型；采用智能优化算法，包括多镜面反射算法、差分进化算法和遗传算法等，完成金属结构的优化设计，为适配设计方法的选取提供理论支撑。
NETL