门式起重机金属结构与优化设计研究

钟琼慧（蕉岭县水利水电勘测设计室,广东 蕉岭 514100）

门式起重机金属结构与优化设计研究

钟琼慧
（蕉岭县水利水电勘测设计室,广东 蕉岭 514100）

摘 要：起重机的金属结构作为其自身的骨架，对整个起重机质量和使用性能起着决定性的作用，引起了人们的重视。本文将对门式起重机金属结构与优化设计进行深入的研究，针对门式起重机在金属结构方面存在的笨重等问题，提出科学合理的研究思路，希望可以为设计人员优化门式起重机金属结构设计提供一些参考建议，以促进门式起重机向工作效率高、整机质量轻和生产成本低的方向发展，更好的满足使用者的需求。

关键词：门式起重机；金属结构；优化设计

改革开放以来，伴随着经济的快速发展和我国现代化建设水平的不断提高，门式起重机作为一个重要的生产工具被广泛运用在了国民经济的各个行业，对国民经济的发展具有重大的推动作用，受到了人们越来越多的关注。并且随着对外开放的不断发展，机电行业也对门式起重机的质量和数量提出更多的要求。如何有效的降低金属结构的重量和起重机的轮压，成为门式起重机设计人员共同需要解决的问题，因此，加强对门式起重机金属结构与优化设计的研究势在必行。

1 门式起重机的金属结构参数化模型

1.1 有限元单元法综述

有限元单元法是一种专门分析复杂结构和问题的工具，也是在变分原理的基础上，运用计算机将连续的结构分化成多个离散单元来计算近似值的一种分析方法。在分析门式起重机金属结构问题时运用有限元单元法，可以不需过多的简化模型，计算结果的精确度也比较高[1]。

1.2 门式起重机金属结构建模策略

门式起重机的金属结构的主要包括主梁、底梁、端梁、支腿等部件，并且各个部件一般都是由螺栓进行连接的，结构较为复杂。在运用有限元单元法对门式起重机金属结构进行分析时，必须要建立一个好的计算模型，只有这样才能保障分析结果准确无误。

（1）几何建模方案分析。要想提高计算的精确度，就必须要选择一个科学合理的金属结构几何建模方案。科学合理的建模方案必须要在降低计算量、满足计算精确度的前提下，使计算结果清晰明了，方便提取。目前，使用三维软件建立三维几何模型非常方便快捷，但是由于门式起重机结构比较复杂，相应的对计算机的配置要求就比较高，所以通常在建模之后，还需要再导入有限元软件，这样不仅会浪费很多时间，还有可能没办法得到正确的结果，因此在构建几何模型时最好在有限元软件中进行[2]。

（2）材料的选择。由于门式起重机在实际的工作中，吊重工作非常繁重，并且工作环境比较恶劣，因此在选择金属结构的材料时要考虑其强度、防腐性、塑性等方面的问题。目前门式起重机比较常用的材料是普通的碳素钢，这是因为碳素钢工艺性较好、价格也比较低廉。

2 门式起重机的金属结构优化设计

2.1 目标函数

结构优化设计要得到我们所期望的目标，就必须满足多种约束条件，计算出最合适的解。结构优化设计的目标函数就是用设计变量的数学关系式来表示的我们所期望的目标。在实际的门式起重机结构优化设计中，目标函数一般都是重量，当然也可以根据不同的需求将成本、体积等作为目标函数。

2.2 荷载及组合

门式起重机主要在露天工作,它的主要荷载包括惯性荷载、风荷载、自重荷载、起升荷载和侧向荷载，如果要计算主梁内力，那么门架将受到所有因素的影响。

2.3 设计变量

设计变量是需要进行优化的独立参数，结构设计方案可以根据设计内容的不同选择相应的物理参数或者是几何参数，这些参数可以用一组向量来表示。

2.4 约束条件

在不同的运动状态和工况下，门式起重机的稳定性、强度和刚度都属于约束条件，其中需要具体考虑的约束条件包括静刚度、静强度、疲劳强度、动刚度、支腿的稳定性、板的稳定性、不同荷载的整机稳定性和不同方向的整机倾复稳定性等。另外，设计变量的几何条件也属于约束条件，它是由变量的边界条件和变量之间的约束条件这两部分来构成的。变量的边界条件不仅考虑到了门式起重机的金属结构实际的限制因素，而且还考虑到了工艺要求等因素，例如，在实际的工程中，由于门式起重机一般都是在露天工作，比较容易发生门机被锈蚀的情况，因此，为了避免这种情况，在进行门机设计时，面板的厚度都不能小于6mm，这就是变量板厚的下限，即下限值只能取6，而不可以再小；对于变量之间的约束条件，我们可以通过一个例子来说明：如果我们需要矩形截面的高度总是大于其宽度，尽管矩形的高度的上、下限大于宽度的上、下限，但也有可能计算出高度小于宽度的情况，在这时，我们就可以加上高度大于宽度这个约束条件，这样就避免了时间的浪费[3]。

2.5 优化方法

由于门式起重机结构特别复杂，在加上长期在露天工作，金属结构要承受的压力较大，这就要求金属结构必须要有可靠的稳定性、刚度和强度，因此门式起重机的设计变量非常多，我们就需要用混合离散变量，利用结构模块化的设计原则，通过BΑSIC程序语言来进行设计，这一方式为优化设计打下了坚实的基础[4]。

3 结语

门式起重机的金属结构与设计工作都是非常复杂的系统工程，加强对这两个方面的研究，是门式起重机提高自身使用性能的内在要求，也是机电行业健康发展的必然要求。我们通过上文对门式金属结构的分析和研究，可以知道，利用有限元等方法进行设计优化，能够在提高门式起重机金属结构的刚度、强度和稳定性的同时，达到减少起重机整体重量的目的。本文的研究可以为门式起重机以及同类产品的结构设计提供参考建议。

参考文献：

[1]戴明宏,张君霞.U型门式起重机金属结构离散变量模糊优化研究[J].制造业自动化,2013,35(03):146-149.

[2]韩成龙,綦耀光,徐晓东等.门式起重机主梁结构优化[J].建筑机械（上半月）,2009(07):81-83,86.

[3]巫波.造船门式起重机金属结构局部屈曲分析[J].装备制造技术,2012,(07):216-217,230.

[4]洪正,王松雷.门式起重机金属结构应力测试及分析[J].机械研究与应用,2012(06):81-83.

作者简介：钟琼慧（1975-），女，广东蕉岭人，大专，工程师，研究方向：水利电气工程技术。