我国起重机轻量化设计研究

1 相关概念及定义

    1.1 轻量化

    轻量化技术是指采用优化结构、优选材料、优选加工方法等，在大化减轻机械零部件或整机自重的基础上，实现结构质量、制造成本、产品性能等综合指标优化的项新技术。

    1.2 轻量化设计的思路

    轻量化的目的在于将所设计产品的自重降到低，同时还必须保证产品的功能完备，安全性与耐用性符合设计要求。轻量化设计可从以下几方面考虑：

    (1)结构轻量化，设计合理的几何外形和单的传力路径来实现前卫的结构构造。

    (2)材料轻量化，采用密度更小、强度更高的材料代替质量体积比较大的材料。

    (3)工艺轻量化，挖掘各种工艺技术的潜能，以实现)可靠的构件功能集成。

    (4)借助于高水平的分析计算方法FEM、BEM等），获得结构的应力载荷分布与稳定性情况，从而为起重机的轻量化设计提供理论依据。

2 结构轻量化

    2.1 轻量化设计计算方法

    (1)限状态法

    限状态法以概率论、数理统计、可靠性分析为理论基础，把载荷、材料属性、构件实际尺寸等均看作基于某种概率分布的统计量，通过获得各基本变量的分布概率模型及概率模型参数，计算产品失效概率来估算起重机钢结构的安全度，是种近似于定量计算的方法。这种计算方法考虑了金属结构的实际工况，计算结果，能充分利用钢材的性能，比较适合轻量化设计计算。

    (2)有限元法

    有限元法是种以弹性力学为基础的现代数值计算方法，能综合考虑产品的实际工况和约束，对其实体模型进行近似定量的分析，给出结构全面的应力变形情况，为优化设计和轻量化设计奠定基础，对复杂结构及系统的化分析与设计尤为有效。

    (3)优化设计法

    目前优化设计在起重机轻量化设计中的应用主要是以质量轻为评价指标的单目标优化，未来的发展方向是综合考虑起重机的性能、制造成本、生产工艺等多种因素，采用多目标优化方法进行综合优化。与有限元法、计算机技术等有机融合是优化设计在结构设计领域得到大发展的有效途径，比如通过有限元分析求解灵敏度来筛选对目标函数影响较大的参数，进行有针对性的优化设计，能显著提高优化效率。

    2.2 桥架结构轻量化

    应用有限元分析技术，研究了大型岸边桥式起重金属结构在各种工况下的静动态特性，并结合岸桥金属结构自身的特点，提出了以结构刚度、强度以及模态频率为约束，以质量小为目标函数的岸桥金属结构轻量化设计方法，成功实现岸桥金属结构减重8.9t，其质量比原来下降了7.3%。该论文对大型集装箱用起重机的设计及轻量化研究具有较高的参考价值。

    基于MATLAB平台，采用差分演化法完成了桥架结构的轻量化设计。先，建立了主端梁模块及加强筋的数学优化模型，确定了新型轻量化桥式起重机主端梁的结构形式及联接方式；其次，编制了桥架轻量化设计流程并具体开发了偏轨箱型主梁设计系统，所设计的主梁达到了预期的减重目标，验证了差分演化法在起重机轻量化设计方面的可行性。文章所提到的轻量化设计流程及开发平台是轻量化设计未来的发展方向。

    基于相似理论的结构模型试验研究，解决了起重机静载试验受场地、成本限制的问题，并通过试验验证了文献中所使用的原型主梁的轻量化效果。

    2.3 起重小车轻量化

    起重小车轻量化设计分3个步骤：优化小车零部件；优化起升、运行机构的传动布置形式；优化小车架的结构形式。目的是使小车结构紧凑，降低整车自重和限高度。