探究龙门起重机结构动态优化设计

摘 要：针对龙门起重机应用中存在的问题，比如结构振动剧烈问题、吊载运行稳定性差问题，进行动态分析，探索龙门起重机作业过程中出现运行问题的原因，并且针对不同类型的起重机提出了相应的优化改进方案。对龙门起重机结构动态设计进行优化，以满足整机重量最小需求，以及满足模态固有频率条件等，作为优化目标，对其结构参数进行优化设计。

关键词：龙门起重机；结构参数；结构动态；优化设计

起重机属于大型运输机械，能够在复杂情况作业。其龙门起重机自身的结构特性以及动态特性等，对龙门起重机的使用性能，有着较大的影响。传统的起重机结构设计，主要依靠人工设计，结合传统经验等方法，具有较大的局限性。随着起重机设计技术的发展，使得动态工作情况被人们重视与思考，并且对龙门起重机结构进行动态优化设计。

1 龙门起重机结构概述

龙门起重机结构较为简单，例如图1，其为JQ50型号的龙门起重机结构示意图。主要包括下横梁与端梁、柔性支腿与刚性支腿、主梁与门框等。现代龙门起重机，多采取静态设计+动态补偿设计的方法，除了考虑静态时的工作载荷外，还考虑动态载荷，采取添加安全系数的方式进行补偿，以此简化结构动态设计，以此确保龙门起重机结构设计，能够满足静强度与静刚度的需求，但是因为缺乏动态特性分析，难以估计龙门起重机动态作业时的稳定性，进而极易引发作业问题，包括整机结构振动强烈以及运行不稳定等问题。龙门起重机的稳定性与刚度，与其金属结构的承受能力，有着直接的关系，进而使得动应力与动刚度等问题更加严重。当弯曲动刚度超出标准，则极易造成整机结构振动问题，而动应力超出标准，极易造成结构变形或者损伤问题。当跨中动移位超标时，则会造成整机结构失稳。

2 龙门起重机结构动态分析

2.1 基于Ansys动态分析理论基础

龙门起重机作业时的动态问题，其属于有限个自由度弹性系统运动范畴。龙门起重机的模态分析，主要目的是明确龙门起重机结构的振动特性，包括固有频率与振形，该数据信息可以在龙门起重机结构无阻尼自由振动条件下获取。对龙门起重机起升动载响应进行研究，主要是研究危险工况下整机系统发生位移的规律，以及整机系统的速度与加速度变化规律。

2.2 动态分析中龙门起重机结构常见问题

基于Ansys的模态分析，则需要构建龙门起重机有限元模型，遵循平衡方程，在进行模态计算时，加入载荷条件，包括零位移约束、压力、加速度等。某港口使用的是JQ50型号龙门起重机，在对其进行安全检测时，发现设备存在运行不稳与明显振动问题，进而对设备进行动态分析，根据对JQ50型号龙门起重机进行模态分析的结果来看，能够获得以下结论：（1）JQ50型号龙门起重机系统暂态响应，随着时间的增加，逐渐的转成稳态响应，主要是由于阻尼的作用，使得能量得以消耗，进而使得系统难以保持等幅振动，产生振幅衰减运动。（2）使用加速度峰值，来估算此龙门起重机吊重离地起升时，其最大结构动应力，估算结果为240MPa，超出安全检测范围，因此说明此台JQ50龙门起重机，其结构动强度峰值，要比静强度条件下，或者稳态条件下所测试出来的数据值要大，因为在许可范围内，所以整机结构强度符合要求。此龙门起重机在起升的过程中，产生强烈的振动，使得动态衰减时间被延长[1]。

2.3 龙门起重机结构问题原因分析

龙门起重机结构系统作业时，产生强烈振动问题以及运行不稳问题等，其具体原因如下：（1）龙门起重机的主梁刚度相对较弱，当起重机大车与小车制动以及运行时，则会造成起重机整机振动，振动轨迹沿着大车与小车轨道前进方向。（2）由于起升的速度较大，进而使得起重机满载起吊状态下，产生较大的激振力，加之动态响应的时间较长，进而使得起重机整机作业时，稳定性较差。（3）起重机结构中的支腿或者横梁等，其综合刚度均会影响着起重机的整体动态性能，造成稳定性较差的问题[2]。

3 龙门起重机结构动态优化设计方案

3.1 优化算法与准则

在进行起重机结构动态优化设计时，要明确算法与准则。优化算法指的是在目标函数控制下，最佳的方法，通常采用零阶优化方法与一阶优化方法。零阶优化方法也就是直接法，利用通用函数进行逼近优化，即采取最小二乘法逼近，来求取函数面，拟合解空间，在对此函数面进行求极，该种算法计算的速度快，但是优化精度不高，是简单起重机常用的算法，适用于所有因变量逼近，能够有效的解决工程问题。一阶优化方法，也就是间接法，该种方法的运用，偏向导数使用，利用因变量的一阶偏导数，不仅优化的精读高，而且能够适用于因变量变化较大的优化方法设计，但是此方法的计算结果不能够确保是最佳解。在运用零阶优化方法，进行起重机结构系统优化设计时，则需要对Sub-Problem，进行粗优化，基于子问题优化，利用DV Sweeeps扫描法，做二次优化，利用两次优化，最终实现起重机结构系统优化。优化计算是动态的过程，需要明确优化准则，以尽快达到优化目标，设计人员要基于起重机的实际情况，来制定优化准则，以确保结构优化设计的合理性。

3.2 基于Ansys的模态分析的优化设计方案

基于Ansys的模态分析，以JQ50龙门起重机为例，对其常见作业问题，提出对其结构进行优化设计方案，通过改进龙门起重机的主梁结构以及其他部位，来提高结构系统的动刚度，同时合理的控制JQ50龙门起重机作业时的起升速度，进而改善起重机的整机动态性能。JQ50龙门起重机结构系统，其箱形截面结构刚度与其尺寸有着直接的关系，根据以往研究得出JQ50龙门起重机结构优化参数，对其结构尺寸做优化处理，利用Ansys的目标优化功能，对其结构尺寸进行优化等，利用此方法对JQ50龙门起重机进行优化，改进部分结构参数，将JQ50龙门起重机的起升速度调整到16m/min。此方案与以往的静态设计+动态补偿方法相比，能够在设计过程中，对起重机结构的动B特性进行分析，进而能够及时发现起重机结构的薄弱部位，能够为起重机作业与管理，提供可靠的依据，同时该设计方案，基于静态设计，对JQ50龙门起重机结构进行合理优化，使得起重机整机的动态性能得以提升，进而提高了起重机作业的稳定性与安全性。但是其与基于NSGA-Ⅱ算法的结构设计方案相比，难以实现多目标优化，但是较为适用JQ50龙门起重机结构优化设计[4]。

4 结束语

龙门起重机是常用的起重设备，其在作业时，极易出现振动问题与稳定性差的问题等，主要是在设计时，忽视了动态特性，因此需要优化其结构设计，文中基于不同的动态分析方法，提出了两种优化起重机结构设计方案。

参考文献

[1]童水光，王相兵，钟崴，等.基于BP-HGA的起重机刚性支腿动态优化设计[J].浙江大学学报（工学版），2013（01）：122-130.

[2]袁媛，杨正茂，孟文俊.龙门起重机金属结构的多目标动态优化[J].中国机械工程，2016（19）：2641-2646.

[3]吴卓，周灵聪.基于APDL的龙门起重机的参数化建模及谐态分析[J].科学技术与工程，2011（10）：2229-2233.

[4]熊彪，李拔周.基于动态分析的龙门起重机结构优化研究[J].起重运输机械，2015（12）：87-91.