基于拓扑优化的冶金起重机主梁结构设计

2019-08-20张展

中国金属通报 2019年6期

张展

（中信钛业股份有限公司，辽宁锦州 121005）

冶金起重机在冶金企业中占有重要的位置，冶金起重机的主梁由于跨度、高度等尺寸大占起重机的比重相对较大，对主梁结构设计对冶金起重机主梁结构设计有重要意义。传统的冶金起重机设计方法通常以经验设计为主，安全问题严重并且材料浪费也很严重。近年来，随着对起重机要求的提高，对起重机的尺寸和形状等进行了优化，但是仅仅是针对局部进行了优化，并没有对起重机主梁结构进行设计。基于这些问题，提出基于拓扑优化[1]的冶金起重机主梁结构设计。

拓扑优化是满足使用要求和规范的前提下，根据约束、载荷、优化目标等条件寻找最佳的优化方法。拓扑优化的目标是根据给定的约束条件，寻找材料的最佳分配方案，达到主梁结构设计更安全、轻便的目的。跟传统尺寸优化、形状优化相比，运用拓扑优化能够得到更加合理的结构形式。所以在拓扑优化的基础上对冶金起重机主梁结构设计，通过设计能够实现主梁结构的轻量化和应力均匀的目的，提高安全系数，并降低经济投入和材料浪费，具体过程如下所示。

1 冶金起重机主梁结构设计

主梁结构作为起重机的重要部分，考虑到安全问题，将左端进行固定[2]，右端简支，采用中轨箱型梁，由上下翼缘板与隔板焊接而成，主梁的左右部分结构对称处理，具体参数设置如下：

表1 主梁设计参数

基本的主梁机构设计参数如表所示，考虑到冶金起重机轻量化要求，进行选择主梁结构因子，选择最优结构因子，并考虑到安全性，对主梁结构应力设计。

1.1 选择主梁结构因子

为达到主梁结构轻量化的目的，进行主梁结构因子选择，采用拓扑优化原理，在满足使用要求和规范的前提下，对其进行选择。从主梁结构因子中选择最优胜的个体，将优秀结构因子的染色体[3]先放到基因库，并淘汰劣质的个体，把优胜的结构个体遗传到下一代。在这些结构因子变异之前进行选择，在原有基础上选择优胜的结构因子，然后保留最优个体。变异算子能够加速向最优解收敛，并具有具有搜索能力，若在整个选择过程中缺少变异因子，则选择只能在原有基础上进行查找，不能完成新的突破。采用遗传因子算法进行选择，该算法中，个体被选择的概率和适应值大小成比例存在，为保存最优个体，对其进行计算，具体计算方式如下：

式中，Uc代表最优结构因子，0.8n代表衡量标准，G代表搜索范围，此次计算不做定向分析。

通过计算能够确定基因变异的位置，并保留上一代最优的因子，通过此算法能够很大程度上缩小搜索范围，能够避免选择好的最优因子被破坏。通过选择最优主梁结构因子，能够为实现冶金起重机主梁结构的设计打下基础，并通过拓扑优化，使冶金起重机主梁结构设计更加合理。

1.2 基于拓扑优化设计方案的实现

在选择主梁结构因子的基础上，对主梁结构应力进行设计，起重机的主梁结构内部的应力应该接近相同的安全水平，为保证主梁设计安全性和充分利用材料性能，根据拓扑优化的目标，寻找最佳的应力材料选择，选择删除低应力材料[4]进行设计，可以加强主梁结构的应力水平更加均匀。在主梁结构应力设计中，首先对设计区域进行有限元网格化，将主梁结构要设计的单元划分为多个单元，进行有限元分析，从而得到整体的各个单元的应力。将各个单元和所有单元最大应力进行比较，采用相同的删除率进行计算，计算公式如下：

式中，Nc代表结构应力有限元，σn代表结构应力单元总数，代表最大应力，∑P此次计算不做定向分析。

运用此公式多次计算和删除单元，该单元应力水平逐渐达到稳态，此时单元应力水平趋于均匀，不存在需要剔除的单元，从而获得满应力的最佳结构[5]。通过选择主梁结构因子，和主梁结构应力设计，实现冶金起重机主梁结构设计，通过上述两种具体设计，能够保证起重机主梁轻量化的要求，并保证主梁结构的应力水平均匀，减少安全问题的出现，并能减少材料的浪费。