全地面起重机伸缩臂截面优化设计

【摘要】起重机是一种取物机械，随着社会发展各种型号的起重机不断出现，其设计、工艺都逐渐趋于规范化。伸缩臂作为全地面起重机中最重要的结构之一，是所有结构中最主要受力的结构，因此在实际工作中要考虑其刚度、强度、稳定性。那么伸缩臂截面尺寸的大小就变的十分重要。伸缩吊臂作为全地面起重机中非常重要的结构，其重量一般占整个起重机的18%左右，而大吨位的全地面起重机所占比重更大，这就降低了起重机的性能。因此，在符合各项要求的基础上，采用优化设计的方式，对吊臂结构的尺寸进行优化，降低整个结构的自重，这在大吨位起重机整个伸缩臂的设计中起到关键作用。优化之前要先编写全地面起重机主臂结构参数化程序的ANSYS命令流文件。本文建立有限元模型时，臂筒结构和单倍吊绳使用BEAM188单元模拟，变幅缸结构使用LINK8单元模拟，而每两节臂之间的滑块使用MPC184单元模拟。建立了有限元模型之后，需要施加边界条件，即对主臂后铰点和变幅缸下铰点约束其三个方向的平动自由度，而对单倍吊绳下铰点进行全约束；施加的载荷有自重、吊重、风载、侧载和回转惯性载荷。另外在结构中应力比较大的位置需要建立控制截面，方便提取计算结果。本文采用两种优化方法对全地面起重机伸缩臂截面的尺寸进行优化。首先，使用ANSYS自带的优化算法对伸缩臂截面进行优化。本文考虑到其优化结果的精确度，所以选择使用一阶方法进行优化。利用ANSYS软件的优化模块，对伸缩臂截面进行优化设计的时候，全地面起重机伸缩臂的截面形式不变，即始终保持U型截面，把各节臂上、下盖板厚度和U型截面的外形尺寸作为设计变量，以全地面起重机在正常工作时控制截面的最大VonMises应力作为状态变量，以整个伸缩臂结构的总质量作为目标函数。优化时根据厂家要求给出设计变量的取值范围，然后通过一阶方法的迭代计算出最优值。其次，使用遗传算法对伸缩臂截面进行优化分析。本文遗传算法是采用整数编码的形式，通过遗传算子的操作把新产生的个体和父代中的个体放在一起形成一个新的种群，计算每个个体的适应值，选择适应度好的前N个个体最为下一代（N为种群的数量），这样能保证父代中一些好的个体都能遗传下来。具体程序计算过程是：使用MATLAB软件编写遗传算法程序，遗传算法中适应值是通过调用ANSYS进行计算，得出的的每个适应值都保存在一个文件中，以方便遗传算法程序的使用。给出程序最大迭代次数，随着迭代次数的增加，种群中的个体不断地趋于最优。最后，根据两种优化方法的结果进行分析，可以看出优化后整个伸缩臂结构的重量减轻了许多。ANSYS一阶方法和遗传算法在主臂截面优化上是可行的，本文为全地面起重机主臂结构减重提供参考，并且在已有型号全地面起重机的基础上，通过优化吊臂截面尺寸为设计出更大吨位的提供参考。
【作者】王彪；
【导师】周振平；
【作者基本信息】吉林大学，工程力学，2014，硕士
【关键词】全地面起重机；伸缩臂截面；遗传算法；优化；ANSYS；MATLAB；

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