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[摘 要]随着我国工业发展水平的不断提高，起重机作为物料的搬运和运输工具，在我国国民经济发展过程中扮演着重要角色。而金属结构作为起重机的重要结构组成部分，其重量占总重量的百分之六十左右，为了提高其工作性能、承受能力以及实现节能减排，需要研究人员对其进行结构优化，并实现整体的轻量化。文章就此对起重机金属结构件的结构优化进行了研究，具体内容供大家参考和借鉴。
[关键词]起重机；金属结构件；结构优化
中图分类号：TP437 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0231-01
前言
在工业化快速发展的当前时代，为了提高物料搬运的速度和效率，作为一种通用的起重设备，门式起重机得到了广泛的运用。但是，在实际使用的过程中，人们在其实用性满足的基础之上，对起重机的安全性和经济性有了较高要求。这就使得起重机技术需要不断的创新和改进，从而顺应市场的发展潮流，满足时代发展的需求，进行结构优化设计。
1门式起重机参数化建模
参数化建模是一种可以储存整个建模工程的方法，其可以针对同一结构的不同参数产品完成一次性建模，并通过修改结构中的相关设定参数实现系列化产品的生产。参数化建模主要分为两部分：参数化图元和参数化修改引擎。当图元构件的参数发生改变时，图元构件也随之改变，所有的图元信息通过参数以数字化的信息形式保存，在参数化建模过程中，当结构中的某一部分或多个部分的结构尺寸需要修改时，仅将需要修改部分的结构尺寸，计算机就会根据结构中各部分的相互关系提取出结构中尺寸约束和拓扑约束的相关信息，自动生成修改后的模型，从而实现参数对图形的驱动。参数驱动更加方便使用者对建立的模型进行修改和重新设计，减少工作人员的修改量，提高工作效率。图1为参数化建模分析流程图。
2门式起重机主要结构
门式起重机结构简图如图2所示，其金属结构主要包括主梁、端梁、悬臂梁、马鞍架、支腿和下横梁。
3几何结构参数化有限元建模
有限元的建模情况直接影响到整体分析结果，因此，科学、合理的有限元模型能够准确反映出工程结构实际行为特征，此外准确的有限元模型能够还原其真实的物理原型。門式起重机金属结构有限元模型中包括结构的材料属性、单元类型、单元实常数、边界条件及几何模型参数等。在进行参数化建模过程时，根据起重机的结构尺寸，定义设计参数，用设计参数来表征模型的几何结构特征，实现模型的参数化。在结构设计的过程中，通过修改定义的设计参数来实现对结构模型的修改和分析。利用这种参数化建模的思想对门式起重机金属结构中的端梁、下横梁、支腿和马鞍架等金属结构独立建模，在每个部分建模完成后，再将各个部件进行装配从而得到起重机金属结构的几何模型。
4门式起重机轻量化设计
4.1门式起重机轻量化设计方案
轻量化设计是一项比较复杂的系统工程，其需要对成本、性能和质量等因素的影响进行综合考虑，也就是说，在实现结构轻量化的同时，不降低产品的工作性能和安全标准，同时也不增加产品的制造成本。通常，结构的轻量化设计一般从以下三个方面进行考虑：第一，对结构进行优化，减少材料的冗余，实现结构的轻量化设计。第二，采用先进的高分子材料、轻合金材料或高强度钢对结构中原有材料进行替换来实现结构的轻量化。第三，采用先进的制造工艺。
当前，结构的优化设计已经成为实现起重机金属结构轻量化的主要途径。其中，对门式起重机进行金属结构的尺寸优化是当前最为常用的方法。在结构优化之前，为了提高结构优化的效率，首先利用灵敏度分析技术筛选出对起重机金属结构总体积影响较大的设计参数，确定为设计变量，之后通过结构优化的方法来实现门式起重机金属结构的轻量化设计。对结构优化后，门式起重机结构的外形尺寸和截面尺寸的下降可能会导致结构发生屈曲。此外，根据起重机设计要求，还需要对优化后的门式起重机金属结构进行屈曲等稳定性的分析，文章在这里不予具体展示。
4.2基于ANSYS结构优化设计
ANSYS提供批处理方式和GUI交互式方式来处理结构优化设计中的问题。对于结构模型较为复杂的工程问题，需要采用命令流输入的批处理方式对结构进行优化，从而方便设计人员对结构模型进行修改，这在一定程度上提高了设计的效率，但是这需要设计人员能够熟记ANSYS中各种操作的命令。
GUI操作方式不需要设计人员熟记ANSYS中的各种命令，设计人员只需在窗口上进行操作即可完成优化分析全部过程，使用GUI交互方式对结构进行优化设计时，中间一旦出错，无法返回，需要从头重新操作，这种方式仅适用于一些结构简单、不需要反复修改的模型。
在优化设计过程中，ANSYS程序提供一系列的分析——评估——修正的循环过程。
4.3结构动态优化设计
动态优化设计指的是结构的优化模型中，目标函数或者是约束条件中包含有动刚性，动位移等结构动态特性的优化设计问题。其中，动刚度对门式起重机整个结构的动态特性影响较大。在结构优化设计过程中为了保持结构具有良好的动态特性，在静刚度、静强度约束条件的基础上，工作人员一般会添加结构的动刚度作为约束条件对起重机金属结构进行动态优化设计。
结束语
综上所述，传统的门式起重机金属结构在材料利用上存在很大的裕度，结构轻量化的潜力较大。为了促进起重机更好发展，对其金属结构进行轻量化设计，是当前相关行业研究的重要课题。
参考文献
[1]刘跃昆.起重机金属结构件的结构优化及轻量化研究[D].郑州大学，2017.
[2]戚其松.基于智能算法的起重机结构可靠稳健优化方法研究[D].太原科技大学，2016.
[3]范利格.门式起重机金属结构分析及优化设计[D].郑州大学，2013.
[4]刘文静.桥式起重机轻量化设计因素分析[J].内燃机与配件，2017（1）：28-29.
[关键词]起重机；金属结构件；结构优化
中图分类号：TP437 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）36-0231-01
前言
在工业化快速发展的当前时代，为了提高物料搬运的速度和效率，作为一种通用的起重设备，门式起重机得到了广泛的运用。但是，在实际使用的过程中，人们在其实用性满足的基础之上，对起重机的安全性和经济性有了较高要求。这就使得起重机技术需要不断的创新和改进，从而顺应市场的发展潮流，满足时代发展的需求，进行结构优化设计。
1门式起重机参数化建模
参数化建模是一种可以储存整个建模工程的方法，其可以针对同一结构的不同参数产品完成一次性建模，并通过修改结构中的相关设定参数实现系列化产品的生产。参数化建模主要分为两部分：参数化图元和参数化修改引擎。当图元构件的参数发生改变时，图元构件也随之改变，所有的图元信息通过参数以数字化的信息形式保存，在参数化建模过程中，当结构中的某一部分或多个部分的结构尺寸需要修改时，仅将需要修改部分的结构尺寸，计算机就会根据结构中各部分的相互关系提取出结构中尺寸约束和拓扑约束的相关信息，自动生成修改后的模型，从而实现参数对图形的驱动。参数驱动更加方便使用者对建立的模型进行修改和重新设计，减少工作人员的修改量，提高工作效率。图1为参数化建模分析流程图。
2门式起重机主要结构
门式起重机结构简图如图2所示，其金属结构主要包括主梁、端梁、悬臂梁、马鞍架、支腿和下横梁。
3几何结构参数化有限元建模
有限元的建模情况直接影响到整体分析结果，因此，科学、合理的有限元模型能够准确反映出工程结构实际行为特征，此外准确的有限元模型能够还原其真实的物理原型。門式起重机金属结构有限元模型中包括结构的材料属性、单元类型、单元实常数、边界条件及几何模型参数等。在进行参数化建模过程时，根据起重机的结构尺寸，定义设计参数，用设计参数来表征模型的几何结构特征，实现模型的参数化。在结构设计的过程中，通过修改定义的设计参数来实现对结构模型的修改和分析。利用这种参数化建模的思想对门式起重机金属结构中的端梁、下横梁、支腿和马鞍架等金属结构独立建模，在每个部分建模完成后，再将各个部件进行装配从而得到起重机金属结构的几何模型。
4门式起重机轻量化设计
4.1门式起重机轻量化设计方案
轻量化设计是一项比较复杂的系统工程，其需要对成本、性能和质量等因素的影响进行综合考虑，也就是说，在实现结构轻量化的同时，不降低产品的工作性能和安全标准，同时也不增加产品的制造成本。通常，结构的轻量化设计一般从以下三个方面进行考虑：第一，对结构进行优化，减少材料的冗余，实现结构的轻量化设计。第二，采用先进的高分子材料、轻合金材料或高强度钢对结构中原有材料进行替换来实现结构的轻量化。第三，采用先进的制造工艺。
当前，结构的优化设计已经成为实现起重机金属结构轻量化的主要途径。其中，对门式起重机进行金属结构的尺寸优化是当前最为常用的方法。在结构优化之前，为了提高结构优化的效率，首先利用灵敏度分析技术筛选出对起重机金属结构总体积影响较大的设计参数，确定为设计变量，之后通过结构优化的方法来实现门式起重机金属结构的轻量化设计。对结构优化后，门式起重机结构的外形尺寸和截面尺寸的下降可能会导致结构发生屈曲。此外，根据起重机设计要求，还需要对优化后的门式起重机金属结构进行屈曲等稳定性的分析，文章在这里不予具体展示。
4.2基于ANSYS结构优化设计
ANSYS提供批处理方式和GUI交互式方式来处理结构优化设计中的问题。对于结构模型较为复杂的工程问题，需要采用命令流输入的批处理方式对结构进行优化，从而方便设计人员对结构模型进行修改，这在一定程度上提高了设计的效率，但是这需要设计人员能够熟记ANSYS中各种操作的命令。
GUI操作方式不需要设计人员熟记ANSYS中的各种命令，设计人员只需在窗口上进行操作即可完成优化分析全部过程，使用GUI交互方式对结构进行优化设计时，中间一旦出错，无法返回，需要从头重新操作，这种方式仅适用于一些结构简单、不需要反复修改的模型。
在优化设计过程中，ANSYS程序提供一系列的分析——评估——修正的循环过程。
4.3结构动态优化设计
动态优化设计指的是结构的优化模型中，目标函数或者是约束条件中包含有动刚性，动位移等结构动态特性的优化设计问题。其中，动刚度对门式起重机整个结构的动态特性影响较大。在结构优化设计过程中为了保持结构具有良好的动态特性，在静刚度、静强度约束条件的基础上，工作人员一般会添加结构的动刚度作为约束条件对起重机金属结构进行动态优化设计。
结束语
综上所述，传统的门式起重机金属结构在材料利用上存在很大的裕度，结构轻量化的潜力较大。为了促进起重机更好发展，对其金属结构进行轻量化设计，是当前相关行业研究的重要课题。
参考文献
[1]刘跃昆.起重机金属结构件的结构优化及轻量化研究[D].郑州大学，2017.
[2]戚其松.基于智能算法的起重机结构可靠稳健优化方法研究[D].太原科技大学，2016.
[3]范利格.门式起重机金属结构分析及优化设计[D].郑州大学，2013.
[4]刘文静.桥式起重机轻量化设计因素分析[J].内燃机与配件，2017（1）：28-29.