作为一种具有较高使用价值的机械装备,起重机械的作用是对物料进行搬运作业,在现代工业生产中发挥着日益重要的作用。随着起重机的广泛使用以及各行各业对生产效率要求的提高,导致起重机在生产中使用愈加频繁,从而对起重机在安全性和可靠性等方面提出了较高的要求,一旦起重机因结构失效而引起事故,将会产生非常严重的后果,其损失是不可估量的。金属结构作为机械装备的基本单元,构成了机械设备的支撑平台,金属结构之于起重机类似于骨骼之于人体,金属结构主要起到承受起重机载荷的作用,其设计质量的优劣将对整机在技术、安全、使用寿命等方面的指标产生间接影响。将起重机金属结构作为本文的研究对象,综合运用不同的结构设计方法,从不同的角度和层面对起重机结构进行研究。本文所用的结构设计方法包括:许用应力法、极限状态法、许用应力—应力比法、极限状态—应力幅法、学习型果蝇算法、镜面反射算法、稳健设计和可靠性设计等,本文的研究内容如下:1)采用工程设计中经典、常用的许用应力法和一种新的结构设计理论—极限状态法对实际工程中的机械结构进行设计校核,并评价两种设计方法的优劣。以桥式起重机和汽车起重机臂架结构为研究对象,分别采用许用应力法和极限状态法对两种起重机结构进行静强度验证,采用许用应力-应力比法和极限状态-应力幅法对两种结构进行疲劳强度验证,并对计算结果进行对比分析,从裕度的角度分析并评价了四种设计方法的优劣。计算结果表明,极限状态法是一种相对轻量化的设计方法,当结构所承受的载荷与产生的内力呈非线性关系时,极限状态法具有明显的优势。2)研究并发现了两种具有全新设计理念的优化算法。一是通过对果蝇算法的理解和研究,提出了学习型果蝇算法,该算法克服了传统果蝇算法的不足,具有解决实际问题的能力和广阔的工程应用前景;二是受镜子的启发,提出了一种新颖的全局优化方法—镜面反射算法。镜面发射算法采用了一种全新的模拟对象,算法具有区别于一般群优化算法的搜索方式和迭代方式。采用了传统的数学理论对镜面反射算法的全局收敛性进行分析,证明了镜面反射算法具有收敛于全局极值的能力。数值算例的对比计算结果表明,镜面反射算法具有明显高于传统智能优化算法和学习型果蝇算法的计算速度和计算精度。采用镜面反射算法对起重机结构进行轻量化设计,证明了该方法具有较好的处理离散优化问题的能力。3)提出了基于灵敏度的稳健设计模型,并将该模型应用于起重机金属结构稳健优化设计中。在结构优化设计模型的基础上,将镜面反射算法同灵敏度设计方法结合,同时考虑结构设计不确定参数的容差。通过对工程实例的分析可知,本文提出的稳健优化模型能有效处理结构问题,是一种可提高结构可靠性的先进设计方法。4)对可靠度指标进行了理论推导,获得了一种用于近似求解结构可靠度的计算方法,将该方法同镜面反射算法结合,建立了可用于结构可靠性优化的设计模型。在结构轻量化设计模型的基础上,通过适当的增加结构可靠性约束,使结构在保证可靠度要求的同时具有最轻的结构自重,即在保证结构可安全使用的前提下,最大限度的降低结构制造成本。5)提出了结构快速设计的概念,将结构快速设计方法应用至上述结构设计模型中,以通用桥式起重机和门式起重机主梁金属结构为研究对象,分别对两种起重机结构进行优化设计、稳健优化设计和可靠性优化设计,通过算例证明了该方法的可行性并再次验证了上述三种结构优化设计方法的准确性。