桥式起重机箱型主梁的优化设计.doc

1、桥式起重机箱型主梁的优化设计摘要：起重机械是现代化生产过程中必不可少的辅助工具，也是合理组织生产不可缺少的生产设备。对安全生产、减少事故更有显著作用针对国内桥式起重机箱形主梁消耗钢材多，重量偏大，提出了对主梁结构的优化设计。本设计对主梁结构分析的基础上，建立了相应的优化设计数学模型，以重量为设计目标，以强度、刚度和稳定性为主要约束条件，利用MATLAB编写了相应的程序，通过优化参数的对比，较好地解决了桥式起重机箱形主梁的优化设计问题。在桥式起重机起重量一定不同跨度下并满足强度、刚度等条件下达到用料最省的目的。得出了可靠的优化设计结果。关键词：桥式起重机，箱型主梁，MATLAB，优化设计Stru

2、cture Analysis and Optimization Design of The Main Girder of Overhead Traveling CraneAbstract:The hoisting machinery is a necessary adjunct in modern production, it is reasonable to organize production indispensable production equipment. On production safety, reduce accidents more significant role i

3、n domestic consumption of steel box girder of overhead traveling crane, large weight, the optimization design of the main girder structure. The design of the main girder structure based on the analysis, the mathematical model of optimal design corresponding to the weight, as the design object, with

4、the strength, rigidity and stability as the main constraints, and the corresponding program is written by MATLAB, through comparing the optimization parameters, solved the optimization design of cranes box girder. Crane weight of different spans and meet certain conditions such as strength, stiffnes

5、s to the minimum material consumption purposes. The optimization design results are reliable.Key words: bridge crane, box girder, the MATLAB, the optimization design目 录1 前言11.1 课题的背景和意义11.2起重机械的发展趋势11.3 桥式起重机相关概念31.3.1桥式起重机的构成41.3.2桥式起重机的分类41.3.3桥式起重机的构造41.3.4桥式起重机的主要参数41.3.5桥式起重机金属结构51.4 桥式起重机基本工作原

6、理62 优化设计知识背景72.1 优化设计的概述72.2 优化设计的过程72.3优化设计数学模型82.3.1设计变量82.3.2目标函数92.3.3约束条件92.4优化方法的分类和选择102.4.1优化方法的分类102.4.2优化方法的选择112.5 MATLAB 简介112.5.1 MATLAB 的特点112.5.2 MATLAB优化工具箱122.5.3 fmincon函数介绍123 主梁结构分析153.1桥式起重机各项参数153.1.1主梁结构相关参数153.1.2主梁的材料选用153.2 主梁的设计准则163.3 桥式起重机箱形主梁结构及载荷情况183.3.1通用桥式起重机桥架结构和承载

7、简图.183.3.2起重机主梁的截面结构.194.数学模型的建立204.1设计变量及目标函数的选取204.2约束条件214.2.1正应力约束条件214.2.2剪应力约束条件224.2.3铅垂静刚度约束条件234.2.4水平静刚度约束条件234.2.5动刚度约束条件244.2.6板的高厚比值约束条件244.2.7盖板的厚度比值约束条件254.2.8主梁的跨高比值和跨宽比值约束条件254.2.9横向加劲板厚度约束条件264.2.10变量的取值边界条件265 选择优化算法，计算及结果分析285.1选择优化算法285.2优化结果分析29结 论33参考文献34致 谢36I1 前言随着全球经济的快速发展和

8、科学技术的进步，国内制造业面临巨大的挑战。尤其是起重机械面临更加激烈的市场竞争，为了赢得国内外市场提高起重机械的生产技术，本文就起重机主梁进行优化设计，这样节省材料，提高生产率，能够更快更好的满足用户需要。1.1 课题的背景和意义起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备。它在国民经济各部门都有相当广泛的应用，在现代化生产中占有重要地位。起重运输机械对于提高生产能力、保证产品质量、减轻劳动强度、降低生产成本、提高运输效率、加快物资周转、流通等方面均有着重要的影响。起重机械是现代化生产过程中必不可少的辅助工具，也是合理组织生产不可缺少的生产设备。对安全生产、减少事故更有显著作

9、用。其中用于生产车间的桥式起重机，是起重机的一个主要类型。它是在固定的车间内装卸和搬运物料的，它的起重范围可以从几吨到几百吨。桥式起重机主要应用于大型加工企业，如钢铁、冶金和建材等行业，完成生产过程中的起重和吊装等工作。由于桥式起重机行驶在高空，作业范围能扫过整个厂房的建筑面积，具有非常重要的和不可替代的作用，因而深受用户欢迎，得到了很大发展。因此桥式起重机成为起重机械中生产批量最大、材料消耗最多的一种产品。加强对桥式起重机的研究和改进，促进其不断发展，必将对生产加工企业乃至整个国民经济产生巨大的推动作用。因此对其进行研究，改进其结构使其更加合理，使用更加方便，成本更加低廉，具有重要的现实意义

10、1。目前工厂用的桥式起重机，其结构尺寸一般都较国外同吨位的产品大很多，相同起重量和近似跨度的起重机重量相差一倍。除了材料上的差别外，主要是在结构尺寸上的差别造成的，出现了材料浪费的问题。本设计针对桥式起重机在起重量一定，不同跨度的情况下，拟用MATLAB软件对桥式起重机箱形主梁结构尺寸进行结构分析和优化设计，以达到在满足强度、刚度的前提下用料最省的目的2。1.2起重机械的发展趋势科学技术的飞速发展，现代设计和制造水平不断提高，起重机械市场的竞争也依赖于技术的竞争，推动起重机设计制造进入新的发展阶段。起重机械的总体性能不仅从侧面体现一个国家的工业化现代化水平，也体现了科学技术水平。因此，起重机的

11、设计方法也需要不断发展和创新，不断完善结构性能，使设计出来的起重机更符合经济性、功能性、可靠性的设计要求5。随着科技进步和国民经济建设的需要，当今起重机械的发展趋势表现出以下几个特点6：（1）向大型化、高效化发展 企业的生产规模的扩大、生产工艺过程以及提高生产效率的需要，大型化、高效化是起重机械的一个主要发展方向。起重机械发展的总趋势是由小型化向大型化发展，小吊重向大吊重发展，以适应现代化建设和生产制造的基本需要7。目前，最大的桥式起重机起重量已到达20000吨，最大的履带起重机起重量超过3600吨。起重机的工作速度也逐渐提高，特别港口、码头等用于大宗散料装卸的起重机。小车运行速度达到4m/s

12、6m/s，起升速度达到1.6m/s2m/s。（2）向自动化、智能化、信息化发展 把现代电子技术和传统机械技术相结合，将先进的电子技术、液压技术、控制技术等应用到起重机的驱动和控制系统8，实现起重机自动控制、自动定位、自动调节、自动补偿、自动辨别和自动诊断等功能，以适应自动化生产的要求。当起重机在工作过程中出现异常或突发情况，会向操作者报警提示或在紧急情况下自动停止工作，避免人身财产的损失和危险情况的出现。（3）向轻型化、多样化发展 用于车间和仓库的起重机，工作并不是十分繁忙，用来减轻工人劳动强度和提高生产和存储的工作效率。为了考虑综合效益，要求这类起重机在设计中应尽量减少外形尺寸，结构简化，减

13、轻自重，降低生产制造和维护成本，同时减少产房基建投资费用和起重机运行成本。（4）向模块化、系列化发展 模块化设计代替整机设计方法。为了降低生产成本，提高通用化程度，可以采用模块化设计。将功能相同或相近的部件和机构形成标准化的模块，用比较少的零部件和不同功能的模块组合成不同品种、不同规格、不同用途的起重机。这样不仅能降低生产成本，而且能提高起重机械的生产效率。 我国起重机械制造业开始于20世纪50年代，同国外先进发达国家相比，起重机械行业的起步较晚。经过几十年的发展，从无到有，从仿制到自行设计，虽然在性能和技术上有了很大的进步和提高，但在产品的种类和数量以及整机的性能和质量等方面仍然存在一定的差

14、距，主要表现在:（1）产品性能一般 起重机的整机性能是从设计、制造、安装以及维护使用的综合情况的反应。国内生产的起重机械存在自重较大、电气控制故障较多、操作设施落后、传动部件噪声较大等问题，除部分设计上的原因以外，关键是材料热处理及机械加工工艺落后，起重机的可靠性、零部件结构性能以及整机性能还有待进一步提高。（2）产品研发能力较弱 起重机械产品更新换代速度较慢，缺少掌握关键设备自主知识产权的核心技术和产品研发能力，在通用模块化设计与制造、计算机辅助设计和可靠性设计应用等方面应用需要进一步的提高。提高科研人员水平，加大研发经费投入、采用先进测试工具和提高企业管理水平是提升具有自主知识产权产品研发

15、设计能力的重要途径。（3）制造工艺水平较低 生产制造所用的装备力量薄弱，生产过程中需要采用高精度的数控加工制造设备，计算机辅助设计与计算机辅助制造以及计算机辅助工程的应用、对钢材进行预处理技术以及自动焊接质量等方面需要提高。（4）产品技术标准滞后 我国起重机械产品技术标准采用国际标准或先进国家标准，消化吸收和创新能力不足，产品技术更新滞后时间长9。国内企业缺少自己先进的技术标准，不能随技术的发展和市场的需要及时更新。1.3 桥式起重机相关概念起重机是从事起吊、空中搬运的一种设备。常见的起重机有:桥式起重机、门式起重机、塔式起重机、港口起重机、汽车起重机、履带起重机等。桥式起重机是机械制造工业和冶金工业中用得最广泛的一种起重机械。桥式起重机又称“行车”或“天车”，是横架在固定跨间上空用来吊运各种物件的设备。它既不占据地面作业面积，又不妨碍地面上的作业可以在起升高度和大、小车轨道所允许的空间内担负任意位置的吊运工作。1.3.1桥式起重机的构成桥式起重机主要由机械部分、金属结构和电气三大部分所组成3。机械部分:由起升、运行、变幅和旋转等机构组成，但不是在所有的起重机械中都同时具有这些机构，而是根据工