动臂式塔式起重机起重臂结构优化设计

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【摘 要】动臂式塔式起重机在建筑行业中的应用比较广泛，随着建筑行业的不断发展，对于起重机的要求也越来越高。本文将FL25/30动臂式塔式起重机起重臂的优化设计作为案例进行分析，比如整机质量、结构强度以及结构刚度等性能参数，阐述利用结构有限元软件对其进行优化设计的过程，并且总结相关经验与注意事项，进而实现降低成本、完善产品设计、提高竞争力的目的。

【关键词】动臂式塔式起重机；起重臂；优化设计

动臂式塔式起重机的操作非常方便，尤其适合应用在城市建设中一些施工条件比较复杂与特殊、施工空间比较小的大型物件的起吊操作。FL25/30塔式起重机就是借鉴国外相关先进技术与国内设计经验相结合而设计制造的动臂式、上回转的自升塔式起重机，其使用方式有许多种。工作范围是50米，最大的额定重量是10吨，最大的额定起重量是3吨。

一、优化模型的设计

现阶段，结构有限元软件已经得到了普遍的应用，同时也是一个非常有效的设计工具。根据动臂式塔式起重机结构的特点，将那些需要处理的设计问题转变成相应的数学模型，其构成主要包括三个要素：设计变量、约束条件以及目标函数。

（一）设计变量与目标函数

（二）约束条件

约束条件主要包括两个方面：性能约束与边界约束。首先对性能约束进行分析，其主要可以概括为两点：一是，强度的约束。也就是说各弦杆的计算应力一定要不超过许用值，其应力许用值为345MPa；同时各腹杆的计算应力也一定要不超过许用值，其应力许用值为235MPa。二是，整体稳定性的约束。桁架结构最大挠度一定要低于许用挠度，其许用挠度值是2.52m。其次对边界约束进行分析，边界约束又称之为区间约束，其是对设计变量取值范围的相关规定，针对起重机各杆件截面的参数而言，结合型钢尺寸的相关标准，一般情况下设计变量取值范围均是在15%左右变化的。

二、优化情况分析

对于相关模型的优化，一般需要进行10次的迭代，在优化的时候一定要结合计算的结果、设计变量的变化情况以及目标函数。经过相关的优化之后，我们可以看出，到了迭代的后期，相关的设计变量与目标函数均已经开始收敛，可以说明实现了相应的优化目标。以FL25/30动臂式塔式起重机的优化案例为对象进行分析，原来的重量是34.2吨，在优化之后其重量就减少至29.9吨，减少了4.3吨，相应的幅度也降低了12.5%。与以前的设计相比，进行优化之后的结构杆件截面尺寸均相应的减小了一点，进而致使结构的总重量有所降低。分析优化模型的静强度，起重机结构所能承受的应力由原来的2.69MPa变为162.6MPa，相应能够承受的最大应力也由原来的102.3MPa加大至162.6MPa。由此可以说明，充分利用钢材的强度，使起重机的应力云图更加均匀、合理。通过相关的试验比较，可以看出起重机结构的应力云图的分布更加均匀，相较以前得到了很大的改进，并且最大的垂直挠度也由原来的0.86m加大至0.94m，虽然增加的并不是很多，但是已经可以达到位移约束的条件。起重机原来的重量是34.2吨，选用了一些比较接近的型钢型号，使得起重机的重量减小至30.2吨，整整减小了4吨，相应的幅度也降低了11.7%，使得优化的结果更加明显。

三、优化过程中需要注意的事项

（一）设计变量的选择

在选择设计变量的时候，首先，一定要尽量多选择一些参数，得出比较多的设计变量，假如选择的分析软件可以对其进行计算的时候，就可以先开展一定的试算，掌握大体的目标函数、设计变量的变化以及各种约束条件的情况。其次，分析设计变量的灵敏度，逐渐减少设计变量的数目，直到可以发现一些对性能约束以及目标函数变化最为明显的设计变量。当设计变量的数目比较少的时候，经常会扩大设计变量的约束范围，这时也就需要对设计变量展开大范围的改变，有的时候就会对整机的相关性能产生一定的影响，一定要适当的增加一些设计变量，以此来缩小约束范围。对于FL25/30动臂式塔式起重机模型的优化设计而言，等边角钢的相关参数对于重量变化情况的灵敏度感应非常小，因此在对设计变量进行选择的时候，不用考虑其参数的情况。

（二）性能约束的设置

在设置性能约束的时候，随着性能约束的不断增加，相应的优化模型也在逐渐变得更加复杂，对于计算而言也就增加了相应的难度，有的时候甚至会发生目标函数没有办法进行收敛的现象。假如在实际工作的过程中，比较重视某一个性能的变化状况，可以将次性能指标当成是需要优化的目标函数。假如所运用的计算机软件没有办法将此项性能指标当成是目标函数，也可以将其他相关的指标当成是需要优化的目标函数，并且将此项指标当成是唯一需要优化的性能指标展开相应的操作。

（三）边界约束的设置

设计变量以及性能约束的边界条件将会影响到结构的优化结果。假如对于边界条件设置的不合理与不科学，相应的性能约束以及目标函数最终很可能只是达到局部的最优化。所以，在进行边界约束设置的时候，一定要充分考虑相关的条件，展开合理的设置，达到结构的全面优化目标。在对FL25/30塔机模型展开优化计算的时候，一定要先对初始边界值进行相关的界定，之后进行逐渐的修改，多次展开试算操作，一直到可以计算出比较完美的边界条件为止。

（四）设计变量、目标函数与约束条件的确定

在优化模型的过程中，对设计变量、目标函数与约束条件确定的时候，一定要不断的对范围与数值进行相应的改变，通过反复多次的试算操作，进而总结相关的实践经验，进一步找出比较完美的优化参数，将其运用在起重机实际生产的过程中，使得其在工程建设过程中发挥出更加突出的作用，保证工程施工的进度，提高工程的施工质量，为了操作人员的生命安全提供可靠的保障。

四、结束语

总而言之，通过对动臂式塔式起重机起重臂结构的优化设计，使得结构的重量有所减小，并且各个承载应力的构件均可以达到单元设计的刚度与强度要求，也满足相应的约束条件，相应的改进措施取得了良好的效果，实现了优化轻量化的目的。所以，加强对动臂式塔式起重机起重臂结构优化设计的研究是一个值得相关人士深入探讨的事情。

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