岸邊集裝箱起重機結(jié)構(gòu)動力修改

1、岸邊集裝箱起重機結(jié)構(gòu)動力修改蘇!晴，盧耀祖，張!氫，羅志凡（同濟大學(xué)!機械工程學(xué)院，上海!H!）!摘要!針對集裝箱起重機復(fù)雜的動力學(xué)模型#使用 /7:6:軟件對其有限元模型進行結(jié)構(gòu)動力修改$首先通過模態(tài)分析確定結(jié)構(gòu)的振動特性#確定優(yōu)化目標%以關(guān)鍵部位的板厚為設(shè)計變量進行優(yōu)化#并對優(yōu)化結(jié)果作了靈敏度分析以判斷離散設(shè)計變量的取值方向$優(yōu)化結(jié)果較大地提高了集裝箱起重機的動力性能#表明了 /7:6:軟件能處理復(fù)雜模型動力學(xué)優(yōu)化問題的可行性和有效性$!關(guān)鍵詞!集裝箱起重機%有限元%動力修改%優(yōu)化!中圖分類號B0!$K#! !文獻標識碼+! !文章編號%,)-#!#$%,#(,(/3=#/=3)*4.-+

2、#+*&#-/.2; 9!6 78% 9(#;2#2; %;7!#7! ;7!式中!56*目標函數(shù)或狀態(tài)變量的近似值%!2;*第 2個設(shè)計變量%!8#56#其中 6 為實際目標值$; ! 5 ! 7 (%?+11=1? 7 (%? 6? 6? !?7!?7!式中!%?*第?組設(shè)計集的權(quán)系數(shù)% !;*目前設(shè)計集的總數(shù)目$權(quán)系數(shù)可按如下方法選取)!%小的目標函數(shù)值取高的權(quán)值%!接近最優(yōu)設(shè)計集的那組設(shè)計集取高的權(quán)值%!(可行設(shè)計集取高的權(quán)值#不可行設(shè)計集取低的權(quán)值%!上述(種方式的組合%!)所有權(quán)值都取為%$最小二乘法確定系數(shù)8&!通訊地址蘇晴，上海市同濟大學(xué)機械南館( !#$% !上半月刊)!入局

3、部最小點#一般來說$一個問題需要同時采司機長時間在該頻率狀態(tài)下工作易產(chǎn)生疲勞#因用!種優(yōu)化方法$先用函數(shù)逼近初步求得最優(yōu)解基 此結(jié)構(gòu)動力修改的目標是提高該階振型的頻率#本位置$再對最優(yōu)解的位置進行更精確的確定#7!有限元模型和模態(tài)分析786!有限元建模以青島港 &)J%&); 岸邊集裝箱起重機作為研究對象$采用通用有限元軟件 /7:6:對其進行結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化#其結(jié)構(gòu)及參數(shù)由上海港機重工提供$單元用線性兩節(jié)點梁單元 !+R/.%&桿單元!OP7G%以及質(zhì)量單元 !./:!%#所采用的設(shè)計變量需采用參數(shù)化建模#由于各節(jié)點位置以及梁幾何截面已在設(shè)計時成型$只有板厚可以調(diào)整$故在建模時將各板厚尺寸加以參

4、數(shù)化#施加載荷位置在節(jié)點 %)&%&處$在底部節(jié)點 %&!& (&處施加約束 !見圖%#圖7!起重機結(jié)構(gòu)前四階振型9!集裝箱起重機結(jié)構(gòu)動力修改986!設(shè)計變量和目標函數(shù)由于各節(jié)點位置以及梁幾何截面已在設(shè)計時成型$只有板厚可以調(diào)整$故在建模時將關(guān)鍵部位板厚尺寸作為動力優(yōu)化的設(shè)計變量$共計 )個變量#設(shè)計的目標是提高第三階頻率#圖 !起重機有限元模型987!狀態(tài)變量6!;/;+節(jié)點 ! 點和%&點在載荷下的豎向位移%)787!模態(tài)分析%)&%&以及結(jié)構(gòu)的總體積 & 直接影響到起重機有限元模型建立后$進行模態(tài)分析以確定結(jié)的性能與制造成本$故將此(個參數(shù)作為狀態(tài)變量構(gòu)的動態(tài)特性#分析發(fā)現(xiàn)$起重機模型的

5、第一階進行約束#同時$結(jié)構(gòu)振動的其它幾階頻率作為振型為前大梁在 AB 平面內(nèi)的水平一階橫向振狀態(tài)變量加以約束#動$第二階振型為后大梁在 AB 平面內(nèi)的水平一989!優(yōu)化取值階橫向振動$第三階振型為起重機門框沿 A 軸方首先采用隨機搜索法進行多次循環(huán)搜索$每次向上一階前后振動$第四階振型為前后大梁的扭循環(huán)設(shè)計變量隨機變化#主要研究整個設(shè)計空間和曲振動 !圖 !#可以看出$第一和第二階振動是搜尋設(shè)計域$為零階優(yōu)化分析提供合理起始解#然前后大梁的水平方向上的局部振動第四階模態(tài)后采用零階方法和一階方法依次進行優(yōu)化#由于板是前后大梁的局部扭曲#最重要的是第三階模態(tài)$厚是標準的$因而設(shè)計變量實際上只能離散

6、取值$它是整個門架在 A 軸方向上前后振動$在整個結(jié)而優(yōu)化則是按連續(xù)變量來處理$因此最后需在最佳構(gòu)動態(tài)分析中占主導(dǎo)地位#這一振型對司機室的解處對每一變量做一次靈敏度分析$確定板厚的調(diào)影響非常大$并且該階頻率接近人體的共振頻率$整方向#最終優(yōu)化結(jié)果見表%和表!#*! !#$% !上半月刊表6!部分設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果設(shè) 計 變 量優(yōu)化前#;優(yōu)化后#;板%$%$!海側(cè)上端立柱板!$%!$%&陸側(cè)上端立柱板($%$%板$%&$%海側(cè)下端立柱板%$%$%&陸側(cè)下端立柱板!$%$%梯形架立柱板%$%$梯形架橫梁板%$%!$&板!$%$%!表7!目標函數(shù)和狀態(tài)變量的優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化前優(yōu)化后目標函數(shù)第三階頻率#D

7、E$#$)第一階頻率#DE$!($!&!#第二階頻率#DE$()%$)HH第四階頻率#DE%$%#$H!節(jié)點 !方向最狀態(tài)變量%) $(#!$(大位移#;節(jié)點 !方向最%& $(#H($(H&(大位移#;結(jié)構(gòu)的總體積 # (#H$)!H#$(%)& ;98:!靜強度校核對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)作靜強度校核$最大應(yīng)力為%H.UN$優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足強度要求%:!結(jié)論!%以提高岸邊集裝箱起重機第三階固有頻率為目標$采用有限元軟件對其進行結(jié)構(gòu)動力修改$優(yōu)化后的目標由 $#DE提高到 $)DE$增加了 H$I$ 結(jié) 構(gòu) 總 體 體 積 從 #H$)!H;( 減 至#$(%);($減少了 !$#I%在結(jié)構(gòu)總體積減少

8、&其他約束條件得到滿足的情況下使結(jié)構(gòu)的第三階頻率有較大的提高$改善了結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能%!采用零階方法和一階方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型進行動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計取得了很好的效果$說明 /7:6:軟件處理這類結(jié)構(gòu)動力修改問題的可行性和有效性%本文為集裝箱起重機的動態(tài)性能提供了改進措施$也為工程中的實際問題提供了有效的解決手段%!參考文獻%(曹樹謙$ 振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析)理論&試驗與應(yīng)用.($ 天津大學(xué)出版社$!%$!(陳寶林$ 最優(yōu)化理論與算法 .($ 北京*清華大學(xué)出版社$%HH$!責任編輯#馬!俊&$上接第A7頁%$T$%f0!K%$%#(!f0K#$!%$T$%(&f3!&$f3%H)$)! !H$H!

9、$T 4$%(式中!$)aL2.9V1VVJ1VV應(yīng)力$.UN+其他符號含義同前%;!結(jié)論根據(jù)支重輪實際工作條件$利用 /7:6:軟件建立支重輪非線性力學(xué)分析有限元模型$經(jīng) D1JE 公式驗證有限元接觸應(yīng)力結(jié)果$得到 aL2 .9V1V VJ1VV應(yīng)力在接觸過程中的應(yīng)力狀態(tài)圖$并提出以有限元 aL2.9V1VVJ1VV應(yīng)力作為設(shè)計依據(jù)的經(jīng)驗公式$可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計$提高材料利用率$避免非線性有限元分析的復(fù)雜過程%!參考文獻%(張質(zhì)文&虞和謙等$ ,起重機設(shè)計手冊-$中國鐵道出版社$%HH$($!(/$Z$:$UL2J1$/$0$D1N1$G$O$AL52VL2$ /,94NJ9L2LXJ51G921;NJ94N:5NC1L2B51L1;JLZL923 N2 :9923 UL92J O921 WL2JN4J$