龙门起重机金属结构优化设计与分析

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.65MB 72 页 15积分

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摘要

龙门起重机是国内外露天物料搬运广泛采用的大型装卸机械，它广泛用于工

矿、交通运输和工程建设等行业。它的机械性能对于安全生产提高作业效率非常

重要,所以在设计前期对其进行多种载荷组合作用下的力学分析是十分必要的。目

前国内起重机等大型设备金属结构的设计方法多采用以经典力学和数学为基础的

半理论半经验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法，设计的精度比较低。而

有限元分析方法因其建模方便快捷、计算结果准确等突出优点，随着计算机技术

的发展，近年来得到广泛应用，成为机械产品结构分析必不可少的工具。

本文在对龙门起重机有限元模型进行研究论证的基础上，深入研究嵌入式有

限元分析技术。利用Visual Basic6.0 及ANSYS提供的二次开发工具APDL参数化设

计语言，开发了界面友好的高效率龙门起重机有限元分析系统。借助VB前台开发

友好、方便、易用的人机交互界面，对复杂、难于理解和掌握的ANSYS命令流进

行后台封装，工程技术人员只需具有一定的龙门起重机设计经验，就可使用该系

统进行龙门起重机的参数化设计与有限元分析，从而能够大大减少龙门起重机研

究与设计的工作量，提高产品的质量。

同时，本文通过对龙门起重机主梁的受力分析，以优化理论为基础，建立了

适当的优化模型。以主梁重量最轻为优化的设计目标，以主梁的截面尺寸为设计

变量，在全面满足强度、刚度、稳定性以及工艺要求的前提下，列出约束方程，

应用结构优化设计方法求解出主梁截面尺寸的最优解，得到的主梁重量比原设计

降低19.4%。

此外本文还依据结构拓扑优化的理论,用先进的拓扑优化方法对龙门起重机

的主梁腹板结构进行优化,得到了腹板的最优空间拓扑结构。该方法最大限度地发

挥了腹板材料的使用效率，为结构的后续详细设计提供了近似优化模型。

关键词：龙门起重机结构优化有限元分析 ANSYS VB

ABSTRACT

The gantry crane is a large-scale loading and unloading machinery which is widely

used in open-air material transporting, such as mining, engineering construction, and so

on. The mechanical performance of the gantry crane is very important to provide

working and production safety. So it is very necessary to do mechanical analysis of

gantry crane under the several combined loads. However, the main methods in the

structural design of gantry crane now still are the traditional design methods including

half experience and half theory method and the design precision is low. On the other

hand, with the development of computer science, the finite element method has been

developed rapidly in structural design because of its obvious advantages, such as

convenient modeling and accurate calculation. FEA is absolutely necessary technology

in the design of machine products.

The thesis studies the finite element model of the gantry crane, and a high

efficiency gantry crane FEA system is developed by using Visual Basic 6.0 and APDL

which is a secondary development tool provided by ANSYS. A friendly, convenient and

flexible man-machine conversation interface is developed by Visual Basic 6.0

foreground, and the complicated and indigestible ANSYS command stream is

encapsulated in background. Ordinary engineers and technicians only with some

experience in gantry crane design can make parametric design for gantry crane and

finite element analysis of gantry crane.So the system can reduce the time cost of

designing gantry crane and design workload largely, and improve the qualities of

products.

Moreover, the thesis analyzes the strength and stiffness of the main girder of

gantry crane and set up an appropriate optimization mathematical model based on the

optimization theory. The dimensions of the sections of main girder are set to be the

design variables, and the weight of main girder is set to be the design objective. The

intensity, rigidity, and stability are considered as the constraints. The weight of the

optimum main girder is reduced by 19.4%.

In addition, based on the topological optimization theory, this thesis optimizes the

web of the main girder, and obtains an optimum layout of material. The result can be

used as the initial model of the successive detail design.

Key words: Gantry crane, Structural optimization, FEA, VB, ANSYS

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题的来源及意义 .............................................................................................1

§1.2 起重机相关概念 .................................................................................................2

§1.2.1 起重机分类 ..................................................................................................2

§1.2.2 起重机主要技术参数 ..................................................................................3

§1.3 起重机国内外研究概况及发展趋势 .................................................................3

§1.3.1 国内起重机发展状况 ..................................................................................3

§1.3.2 国外起重机发展状况 ..................................................................................4

§1.4 有限元法在起重机设计中的应用 .....................................................................5

§1.5 论文主要研究工作 .............................................................................................6

第二章龙门起重机金属结构有限元分析系统 ...............................................................8

§2.1 ANSYS 二次开发的理论与方法 ...................................................................... 8

§2.1.1 参数化技术及其分类 ..................................................................................8

§2.1.2 APDL 语言 .................................................................................................. 9

§2.1.3 APDL 编程 ................................................................................................ 10

§2.1.4 APDL 编程与 ANSYS 命令流 ................................................................. 12

§2.2 龙门起重机模型的建立及参数化 ...................................................................13

§2.2.1 结构分析的有限元模型化 ........................................................................13

§2.2.2 龙门起重机有限元模型的参数化 ............................................................14

§2.3 龙门起重机有限元分析 ...................................................................................19

§2.3.1 计算载荷和载荷系数 ................................................................................19

§2.3.2 加载方式 ....................................................................................................23

§2.3.3 载荷工况组合和许用应力 ........................................................................24

§2.3.4 边界约束条件 ............................................................................................26

§2.3.5 APDL 命令流 ............................................................................................ 27

§2.3.6 龙门起重机有限元分析的后处理 ............................................................29

§2.4 VB 与ANSYS 接口技术 .................................................................................31

§2.4.1 程序实现方法 ............................................................................................31

§2.4.2 从VB 到ANSYS 之间的数据传输 .........................................................32

§2.4.3 从ANSYS 到VB 之间的数据传输 .........................................................34

§2.4.4 VB 对ANSYS 程序的调用 ......................................................................35

§2.4.5 系统执行过程 ............................................................................................36

§2.5 龙门起重机分析实例 .......................................................................................40

§2.6 本章小结 ...........................................................................................................42

第三章龙门起重机主梁结构优化 ...............................................................................43

§3.1 结构优化概述 ...................................................................................................43

§3.1.1 结构优化的发展和研究现状 ....................................................................44

§3.1.2 结构优化中的优化算法 ............................................................................46

§3.2 龙门起重机主梁的尺寸优化 ...........................................................................47

§3.2.1ANSYS 优化设计基本概念 ...................................................................... 47

§3.2.2ANSYS 优化设计的基本过程 .................................................................. 49

§3.2.3 参数化模型 ................................................................................................49

§3.2.4 优化数学模型 ............................................................................................50

§3.2.5 创建分析文件 ............................................................................................51

§3.2.6 执行优化过程 ............................................................................................53

§3.5.7 龙门起重机主梁优化结果 ........................................................................53

§3.3 龙门起重机主梁腹板的拓扑优化 ...................................................................55

§3.3.1 拓扑优化设计数学模型 ............................................................................55

§3.3.2 ANSYS 拓扑优化基本概念 ..................................................................... 57

§3.3.3 主梁腹板结构拓扑优化设计有限元模型 ................................................58

§3.3.4 拓扑优化定义和过程控制 ........................................................................59

§3.3.5 拓扑优化结果的处理及分析 ....................................................................60

§3.4 本章小结 ...........................................................................................................63

第四章结论与展望 .........................................................................................................64

§4.1 结论 ...................................................................................................................64

§4.2 展望 ...................................................................................................................65

参考文献 .........................................................................................................................66

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................69

致谢 .................................................................................................................................70

第一章绪论

§1.1 课题的来源及意义

龙门起重机具有起重量大、操作简单、起重灵活、可实现双向移动等特点，

广泛应用于工厂、货场、码头和港口、公路桥梁架设工程以及水利水电工程中各

种物料的装卸和搬运工作。图1-1所示为双梁箱型龙门起重机。龙门起重机的的机

械性能对于安全生产、提高作业效率是非常重要的，所以对其进行多种载荷组合

作用下的分析计算和优化设计十分必要。传统的设计方法中，对龙门起重机结构

进行分析计算，公式繁多，且因为对力学模型进行了简化，许多参数不够精确，

造成计算结果的不准确；在保证结构正常工作的前提下，结构往往比较笨重。而

有限元分析方法有其突出的优点：建模方便快捷、计算结果准确[1]。本论文借助

ANSYS有限元分析软件对龙门起重机金属结构进行分析及优化设计。

图1-1 双梁箱型龙门起重机

ANSYS软件是融热、电、磁、流体、结构、声学于一体的大型通用有限元分

析软件。具有强大的求解器和前、后处理功能，为解决复杂、庞大的工程项目提

供了一个强有力的工具。然而，由于ANSYS的通用性特点，使其对不同行业的专

业性模块的分析不具有针对性，复杂的英文界面和繁琐的分析步骤都给从事有限

龙门起重机金属结构优化设计与分析

元分析的技术人员造成了很大的障碍，而且在实际分析中，为了比较分析，需要

不断地对模型尺寸进行修改、分析、比较[2]。虽然ANSYS自身带有参数化设计语

言APDL，但由于APDL语言本身功能有限并且不提供图形化界面输入，给使用者

带来了一定的困难。另外，虽然ANSYS有较强大的前、后处理功能，但使用者必

须具有较高的相关力学知识和丰富的分析经验，在几何建模简化和力学建模等前

处理方面需要花费很多时间和精力。

另一方面，Visual Basic是在BASIC语言基础上发展起来的，它提供的可视化

设计平台把Windows界面设计的复杂性“封装”起来，开发人员不必为界面的设计

而编写大量的程序代码，只需按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上画出各

种对象即可。Visual Basic采用面向对象的设计方法,从应用领域内的问题着手，以

直观自然的方式描述客观世界的实体。VB以其快捷方便受到很多程序设计者的青

睐，因此得到了越来越广泛的应用。把VB与ANSYS结合起来开发，可以有效地提

高开发设计的效率和质量，充分体现专业化、用户化、便捷化的特点[3]。

如果将有限元技术、结构优化设计技术结合起来，开发龙门起重机金属结构

的分析和优化系统，可大大缩短龙门起重机产品的设计周期，提高产品的性价比，

增加产品的市场竞争力。本论文将利用 ANSYS 中的 APDL 语言进行二次开发，编

写龙门起重机的分析及优化设计程序，并采用 VB 高级编程语言，设计出方便的图

形化参数输入界面，快速建立龙门起重机模型，自动完成分析全过程，并显示分

析结果，从而为龙门起重机以及其他一些大型金属结构的优化设计提供一种快速

的分析方法，解决模型修改困难和分析周期长的问题。在此基础上，对龙门起重

机桥架主梁展开结构优化设计。通过拓扑优化和尺寸优化设计技术，使其达到最

佳性价比。

§1.2 起重机相关概念

§1.2.1 起重机分类

起重机有桥架型、缆索型和臂架型[4,5]。根据用途和使用场合的不同，起重机

有多种形式，但其共同特点是整机结构和工作机构较为复杂，工作时，能独立和

同时完成多个工作动作。因本文研究对象是龙门起重机，属于桥架型起重机，下

面就着重介绍桥架型起重机。

桥架型起重机主要有梁式起重机、桥式起重机、装卸桥和门式起重机四种类

型。其特点是吊钩悬挂在可沿桥架运行的起重机小车或起重葫芦上，使重物在空

间垂直升降和水平移动。

第一章绪论

(1)梁式起重机采用电动梁结构，跨度小，结构简单，在地面操作起重机的工

作，用于起重量较小的工作场所。

(2)桥式起重机采用电动双梁桥式结构，主梁为箱型结构，强度高。跨度大，

在主梁下有操纵驾驶室，用于起重量大，工作速度快的工作场所。

(3)装卸桥起重机多采用桁架结构，主梁跨度大，要求起重小车运行速度快，

从而保证装卸生产率，用于冶金厂、发电厂、码头装卸散料以及港口集装箱的装

卸工作。

(4)门式起重机桥架两端通过两侧支腿支撑在地面轨道或基础上的桥架型起重

机，类似“门”字的形状，亦称龙门起重机，起重量大，广泛应用于工厂、货场、

码头和港口的各种物料装卸和搬运工作。

§1.2.2 起重机主要技术参数

起重机的基本参数是说明起重机械的工作性能和技术经济指标，是设计起重

机械的技术依据，也是生产使用中选择起重机械技术性能的依据，主要有以下参

数[6,7]：

1.起重量Q起重机起吊重物的质量称为起重量，一般以吨为单位。起重量依

国家标准已成为一个系列，起重机设计时须按照这一系列进行。起重量大的桥式

起重机常备有主副两套起升机构，副钩的起重量约为主钩的五分之一到三分之一。

2.起升高度H起升高度是指自地面或轨面到吊钩口中心的距离，单位为米，

通常用额定起升高度表示。

3.跨度L指龙门起重机大车运行轨道中心线之间的距离，单位为米，国标中

有桥式起重机跨度的标准系列。

4.工作速度V指起重机的各机构(起升、运行、变幅和旋转)的工作速度，单

位为米/分，机构的工作速度是根据工作要求来定的。

5.外形尺寸和自重这是任何一种机器应有的技术经济指标，它不仅是说明起

重机械本身性能优劣的数据，而且直接影响基建费用的投资，因此，应十分重视

减轻自重和减小外形尺寸，以达到紧凑而轻便。

§1.3 起重机国内外研究概况及发展趋势

§1.3.1 国内起重机发展状况

我国的起重机制造业起步于20世纪50年代，起重机设计大多是从原苏联引进

的，早期的起重机钢结构设计理论偏于保守，主要表现在安全系数高，结构自重

龙门起重机金属结构优化设计与分析

大，这样人为地造成了起重机的整体尺寸和重量过于庞大[8]。由于历史的原因和发

展层次的不均衡，目前我国起重机制造业的水平参差不齐，传统的设计理论依然

占据着主导地位，随着电子计算机技术的广泛应用，促使了许多跨学科的先进设

计方法出现，推动了现代制造技术和检测技术的提高。激烈的国际市场竞争也越

来越依赖于技术的竞争。这些都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段，起

重机正经历着一场巨大的变革。目前的发展方向为：

1.小型化、轻型化、简易化和多样化

有相当批量的起重运输机械是在一般的车间和仓库等处使用，用于代替人力

和提高生产效率，但工作并不十分频繁，考虑到综合效益，这部分起重运输机械

应尽量减少外形尺寸，简化结构，降低造价和使用维护费用，按最新设计理论开

发出来的这类设备比我国用传统理论设计的同类产品其自重轻60%[9]。由于自重

轻、轮压小、外形尺寸小，使厂房建筑结构的建造费用和起重机运行费用也大大

减少。

2.采用新理论、新方法、新技术和新手段提高设计质量

进一步应用计算机技术，不断提高产品的设计水平与精度。开展对起重运输

机械载荷变化规律、动态特性和疲劳特性等的研究，开展对可靠性的试验研究，

全面采用极限状态设计法、概率设计法、优化设计和可靠性设计等[10]，利用CAD

提高设计效率与质量，与计算机辅助制造系统相衔接，实现产品设计与制造一体

化。

3.采用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能[11]

结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，采用各种高强度低

合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外型美观。在机

构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构，以焊代铸，采用机电一体化技术，

提高使用性能和可靠性。在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统

和电控系统。今后还会更加注重起重运输机械的安全性、重视司机的工作条件。

§1.3.2 国外起重机发展状况

随着生产和物流规模的扩大，自动化程度的提高，物流机械设备在现代化生

产和物流中应用越来越广，作用越来越大，而现代化生产和物流又对物流机械设

备提出了更高的要求.现代机械设备设计能力的提高，科学技术的飞速进步，使得

物流机械设备的技术含量、知识含量、文化含量急剧增加，物流机械设备正经历

着一场巨大的变革。在新世纪，物流机械设备技术性能将进入一个崭新的发展阶

段，物流机械设备必将取得更大的发展。为适应现代物流的需要，物流机械设备

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摘要龙门起重机是国内外露天物料搬运广泛采用的大型装卸机械，它广泛用于工矿、交通运输和工程建设等行业。它的机械性能对于安全生产提高作业效率非常重要,所以在设计前期对其进行多种载荷组合作用下的力学分析是十分必要的。目前国内起重机等大型设备金属结构的设计方法多采用以经典力学和数学为基础的半理论半经验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法，设计的精度比较低。而有限元分析方法因其建模方便快捷、计算结果准确等突出优点，随着计算机技术的发展，近年来得到广泛应用，成为机械产品结构分析必不可少的工具。本文在对龙门起重机有限元模型进行研究论证的基础上，深入研究嵌入式有限元分析技术。利用VisualBasic6.0及...

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