起重机主梁的优化设计

       桥式起重机是起重机械里的一个重要组成类型， 桥式起重机一般横架于车间、 仓库和料场上空进行物料吊运，因为其两端坐落于支架上，形状似桥而得名。起重机主梁的受力状况相对来说较为简单，纵观整个起重机，货物由行驶在主梁上的小车吊起，小车再通过车轮将所受到的力传递到主梁上，与此同时， 主梁还有受到其自身产生的重力作用，两者共同组成了起重机主梁的外界载荷。除此之外，还要考虑到由于小车启动或者急停时带来的冲击，因此还要求主梁有一定的强度和刚度。

       对起重机主梁的静力分析固定载荷取极限工况，施加载荷处位于起重机主梁的中间位置，在受载位置附近创建rb2单元并施加集中载荷。约束梁两端的安装连接处。材料为Q235钢。

       对模型抽中面后进行加载，原模型极限工况结果如图1所示：

                                                              图1 原模型极限工况

        由原模型分析结果可知最大应力70.6MPa，最大位移4.8mm，一阶模态频率7.2HZ。刚强度结果远低于Q235材料的极限范围，有较大优化空间。

       由于主梁侧板的应力值较小，考虑进行一些挖孔减重处理。采用拓扑优化以侧面区域为设计空间，综合考虑左、中、右侧三个极限工况，以volumefrac为约束，最小化weighted comp为的目标。对优化结果提取并几何重构后得到如图2所示的模型：

                                                                 图2 拓扑优化几何重构

       为了更好地减重要求在刚强度不超过原模型的情况下采用尺寸优化寻求在设计允许范围内的料厚最优分布，为了提高可制造性厚度离散化增量为0.1mm。在实际生产中，由于小车的激励作用，起重机主梁通常的受载频率取值范围会在 2~5HZ，故要求优化后固有频率不小于原模型的8HZ。尺寸优化后结果如图3。

约束：Von.Mises应力<70MPa, Max disp<5mm, 一阶模态频率>8HZ。

目标：最小化全局质量。

 

                                                                  图3 尺寸优化后结果

       利用optistruct拓扑及尺寸优化后的模型最大应力为55MPa，最大位移5mm，一阶模态频率8.13HZ均满足设计要求且优于原始模型。整体重量由4.45吨减小至3.67吨，实现减重17.5%，可有效指导设计工作。