探究龍門起重機結構動態優化設計

牛倩

摘 要：針對龍門起重機應用中存在的問題，比如結構振動劇烈問題、吊載運行穩定性差問題，進行動態分析，探索龍門起重機作業過程中出現運行問題的原因，并且針對不同類型的起重機提出了相應的優化改進方案。對龍門起重機結構動態設計進行優化，以滿足整機重量最小需求，以及滿足模態固有頻率條件等，作為優化目標，對其結構參數進行優化設計。

關鍵詞：龍門起重機；結構參數；結構動態；優化設計

起重機屬于大型運輸機械，能夠在復雜情況作業。其龍門起重機自身的結構特性以及動態特性等，對龍門起重機的使用性能，有著較大的影響。傳統的起重機結構設計，主要依靠人工設計，結合傳統經驗等方法，具有較大的局限性。隨著起重機設計技術的發展，使得動態工作情況被人們重視與思考，并且對龍門起重機結構進行動態優化設計。

1 龍門起重機結構概述

龍門起重機結構較為簡單，例如圖1，其為JQ50型號的龍門起重機結構示意圖。主要包括下橫梁與端梁、柔性支腿與剛性支腿、主梁與門框等。現代龍門起重機，多采取靜態設計+動態補償設計的方法，除了考慮靜態時的工作載荷外，還考慮動態載荷，采取添加安全系數的方式進行補償，以此簡化結構動態設計，以此確保龍門起重機結構設計，能夠滿足靜強度與靜剛度的需求，但是因為缺乏動態特性分析，難以估計龍門起重機動態作業時的穩定性，進而極易引發作業問題，包括整機結構振動強烈以及運行不穩定等問題。龍門起重機的穩定性與剛度，與其金屬結構的承受能力，有著直接的關系，進而使得動應力與動剛度等問題更加嚴重。當彎曲動剛度超出標準，則極易造成整機結構振動問題，而動應力超出標準，極易造成結構變形或者損傷問題。當跨中動移位超標時，則會造成整機結構失穩。

2 龍門起重機結構動態分析

2.1 基于Ansys動態分析理論基礎

龍門起重機作業時的動態問題，其屬于有限個自由度彈性系統運動范疇。龍門起重機的模態分析，主要目的是明確龍門起重機結構的振動特性，包括固有頻率與振形，該數據信息可以在龍門起重機結構無阻尼自由振動條件下獲取。對龍門起重機起升動載響應進行研究，主要是研究危險工況下整機系統發生位移的規律，以及整機系統的速度與加速度變化規律。

2.2 動態分析中龍門起重機結構常見問題

基于Ansys的模態分析，則需要構建龍門起重機有限元模型，遵循平衡方程，在進行模態計算時，加入載荷條件，包括零位移約束、壓力、加速度等。某港口使用的是JQ50型號龍門起重機，在對其進行安全檢測時，發現設備存在運行不穩與明顯振動問題，進而對設備進行動態分析，根據對JQ50型號龍門起重機進行模態分析的結果來看，能夠獲得以下結論：（1）JQ50型號龍門起重機系統暫態響應，隨著時間的增加，逐漸的轉成穩態響應，主要是由于阻尼的作用，使得能量得以消耗，進而使得系統難以保持等幅振動，產生振幅衰減運動。（2）使用加速度峰值，來估算此龍門起重機吊重離地起升時，其最大結構動應力，估算結果為240MPa，超出安全檢測范圍，因此說明此臺JQ50龍門起重機，其結構動強度峰值，要比靜強度條件下，或者穩態條件下所測試出來的數據值要大，因為在許可范圍內，所以整機結構強度符合要求。此龍門起重機在起升的過程中，產生強烈的振動，使得動態衰減時間被延長[1]。

2.3 龍門起重機結構問題原因分析

龍門起重機結構系統作業時，產生強烈振動問題以及運行不穩問題等，其具體原因如下：（1）龍門起重機的主梁剛度相對較弱，當起重機大車與小車制動以及運行時，則會造成起重機整機振動，振動軌跡沿著大車與小車軌道前進方向。（2）由于起升的速度較大，進而使得起重機滿載起吊狀態下，產生較大的激振力，加之動態響應的時間較長，進而使得起重機整機作業時，穩定性較差。（3）起重機結構中的支腿或者橫梁等，其綜合剛度均會影響著起重機的整體動態性能，造成穩定性較差的問題[2]。

3 龍門起重機結構動態優化設計方案

3.1 優化算法與準則

在進行起重機結構動態優化設計時，要明確算法與準則。優化算法指的是在目標函數控制下，最佳的方法，通常采用零階優化方法與一階優化方法。零階優化方法也就是直接法，利用通用函數進行逼近優化，即采取最小二乘法逼近，來求取函數面，擬合解空間，在對此函數面進行求極，該種算法計算的速度快，但是優化精度不高，是簡單起重機常用的算法，適用于所有因變量逼近，能夠有效的解決工程問題。一階優化方法，也就是間接法，該種方法的運用，偏向導數使用，利用因變量的一階偏導數，不僅優化的精讀高，而且能夠適用于因變量變化較大的優化方法設計，但是此方法的計算結果不能夠確保是最佳解。在運用零階優化方法，進行起重機結構系統優化設計時，則需要對Sub-Problem，進行粗優化，基于子問題優化，利用DV Sweeeps掃描法，做二次優化，利用兩次優化，最終實現起重機結構系統優化。優化計算是動態的過程，需要明確優化準則，以盡快達到優化目標，設計人員要基于起重機的實際情況，來制定優化準則，以確保結構優化設計的合理性。

3.2 基于Ansys的模態分析的優化設計方案

基于Ansys的模態分析，以JQ50龍門起重機為例，對其常見作業問題，提出對其結構進行優化設計方案，通過改進龍門起重機的主梁結構以及其他部位，來提高結構系統的動剛度，同時合理的控制JQ50龍門起重機作業時的起升速度，進而改善起重機的整機動態性能。JQ50龍門起重機結構系統，其箱形截面結構剛度與其尺寸有著直接的關系，根據以往研究得出JQ50龍門起重機結構優化參數，對其結構尺寸做優化處理，利用Ansys的目標優化功能，對其結構尺寸進行優化等，利用此方法對JQ50龍門起重機進行優化，改進部分結構參數，將JQ50龍門起重機的起升速度調整到16m/min。此方案與以往的靜態設計+動態補償方法相比，能夠在設計過程中，對起重機結構的動態特性進行分析，進而能夠及時發現起重機結構的薄弱部位，能夠為起重機作業與管理，提供可靠的依據，同時該設計方案，基于靜態設計，對JQ50龍門起重機結構進行合理優化，使得起重機整機的動態性能得以提升，進而提高了起重機作業的穩定性與安全性。但是其與基于NSGA-Ⅱ算法的結構設計方案相比，難以實現多目標優化，但是較為適用JQ50龍門起重機結構優化設計[4]。

4 結束語

龍門起重機是常用的起重設備，其在作業時，極易出現振動問題與穩定性差的問題等，主要是在設計時，忽視了動態特性，因此需要優化其結構設計，文中基于不同的動態分析方法，提出了兩種優化起重機結構設計方案。

參考文獻

[1]童水光，王相兵，鐘崴，等.基于BP-HGA的起重機剛性支腿動態優化設計[J].浙江大學學報（工學版），2013（01）：122-130.

[2]袁媛，楊正茂，孟文俊.龍門起重機金屬結構的多目標動態優化[J].中國機械工程，2016（19）：2641-2646.

[3]吳卓，周靈聰.基于APDL的龍門起重機的參數化建模及諧態分析[J].科學技術與工程，2011（10）：2229-2233.

[4]熊彪，李拔周.基于動態分析的龍門起重機結構優化研究[J].起重運輸機械，2015（12）：87-91.