基于响应面法的无轨伸缩式门式起重机轻量化设计

依赖于传统经验方法的无轨伸缩式门式起重机结构设计往往趋于保守,材料浪费严重,为了充分发挥材料的承载性能,有必要对它进行优化分析。对无轨伸缩式门式起重机结构进行优化设计时,针对非线性接触模型计算不收敛与计算效率低等问题,提出以节点耦合模型代替接触模型来构建响应面近似模型,并将近似模型与多岛遗传算法相结合对结构参数进行优化。以某无轨伸缩式门式起重机各构件截面尺寸为初始设计变量,以结构强度、刚度、自重为模型响应,通过调用Isight平台中最优拉丁超立方设计方法产生设计变量样本点,再由试验设计(design of experiment,DOE)模块调用有限元分析软件ANSYS完成样本点模型仿真以筛选出对响应影响较大的设计变量。利用优选后的设计变量构建响应面近似模型,以结构强度和刚度为约束条件,门式起重机结构质量最轻为优化目标,采用多岛遗传算法对响应面模型进行优化。结果表明:在保证结构性能的前提下,优化后门式起重机质量减轻23.4%,轻量化效果明显。所提出的优化策略可较快获得全局最优解,减少了计算量,为无轨伸缩式门式起重机结构改进提供了理论依据。

无轨伸缩式门式起重机接触部位的有限元分析

非线性接触分析在处理接触问题时可以更加接近工程实际,但在实际应用中,接触参数设置复杂、计算效率低以及计算收敛性难以保证等因素制约了它的实用性。节点耦合分析是不存在收敛问题的线性分析,计算成本比接触分析低。为了探讨2种模型在应用中的差异,研究节点耦合线性分析代替非线性接触分析的可行性,以起重量为12t的无轨伸缩式门式起重机为例,在有限元分析软件ANSYS中分别构建其接触模型和节点耦合模型,考虑接触刚度和摩擦系数对计算结果的影响,在伸缩支腿全伸的工况下比较2种模型下无轨伸缩式门式起重机各接触部位等效应力值的差异。通过对比计算结果发现:2种模型中,最大等效应力均出现在车架施加起升载荷处,计算值相差1.3%,结果差异不大。由于节点耦合分析忽略了摩擦系数,所以2种模型中各接触部位等效应力值存在差异,根据接触部位的相对滑动,在接触模型中选择合适的摩擦系数可减小此差异。研究结果表明:考虑接触区域相对滑动对计算结果的影响,节点耦合分析能较好地模拟接触分析,对于精度要求不高或接触区域基本无相对滑动的模型,可采用节点耦合分析这种简化方式来代替接触分析,以提高计算效率。