1、本科毕业论文（20 届）基于 kriging 方法的桥式起重机金属结构优化设计所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日 毕业设计任务书设计题目： 基于 kriging 方法的桥式起重机金属结构优化设计 1课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，通过查阅有关资料，了解桥式起重机的主要功能和参数；掌握 kriging 的方法；实现起重机的优化设计，为学生在毕业后从事机械设计优化相关工作打好基础。2主要
2、任务（1）起重机技术结构设计（2）kriging 方案的选择（3）kriging 的优化和改进（4）完成毕业论文的撰写3主要参考资料1）李兴斯;基于 kriging 方法的结构可靠性分析及优化设计D.大连理工大学;2005年2）徐格宁.机械装备金属结构设计M.北京:机械工业出版社,2010.3) 覃文洁,程颖.现代设计方法概论M.北京:北京理工大学出版社,2007 4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅资料，确定优化设计方案 3 月 3 日3 月 23 日2 金属结构分析及设计计算 3 月 24 日4 月 13 日3 进行尺寸设计并校核 4 月 14 日5 月 4 日4 进行三维实体
3、建模并优化 5 月 5 日6 月 1 日5 完成毕业设计及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日审核人： 年 月 日I基于 Kriging 方法的桥式起重机金属结构优化设计摘 要：随着现代工业的飞速发展，工业设备的复杂程度越来越高，与此同时对生产自动化和优化设计提出了更高的要求。而传统的复杂而又精细的优化设计方式变得难以实现。如起重机金属结构和重量的变大，材料浪费现象的严重化因此，需要引入函数替代模型来简化设计过程，在满足强度、刚度的前提下达到尺寸和重量的最优结果，在减轻重量的基础上实现成本的降低。这篇文章主要针对起重机金属结构的优化设计问题，讨论了基于 kriging 的替代模型式的优化方
4、法，建立了主梁结构优化设计的数学模型。考虑主梁的结构和承载特点，先通过有限元软件建立实体模型并对其进行分析，得到设计控制变量的区间范围内的大量数据。采用 kriging 插值的方法对样本点进行响应面构造，以确定优化范围内新的初始值，并将约束控制到一定范围；采用优化算法对得到的的设计变量初始值和约束范围进行不断优化，直至得到最优解。将其应用于起重机主梁几何尺寸及质量的优化设计中，以达到在精度和效率两方面的合理化。关键词：起重机； Kriging 替代模型； 结构优化； 增量 Kriging 方法Kriging-based Methods Optimization Design of Bridge
5、 Cranes Metal StructureAbstract: With the rapid development of modern industry, the industrial equipment become more and more complex,meanwhile, higher demand for production automation and optimization design is put forward . Whats more, ways of optimization design that are traditional, complicated
6、and subtle become harder to realize. For example, the metal structure and weight of bridge crane become heavier; the phenomenon of the material wasting is serious, etc. Thus, we need to bring in the function to replace the model so as to simplify design process, to reach optimal choice of size and w
7、eight in the premise of satisfying the intensity and rigidity, to lower costs on the basis of weight reduction. This paper mainly focuses on the optimization design of the structure of bridge crane, and optimization method of kriging-based substitution model is discussed; the mathematical model of m
8、ain girder structures optimization design is established. The structures and load-bearing characteristics of main girder are considered, to build solid models through finite element software and analyze them at first, to get a lot of data within the range of control variable. To construct response s
9、urface of sample point using interpolation kriging-based method, in order to confirm new initial value within the scope of optimization, and keep restraint to a certain range. To optimize initial value of the design variables and restrain range constantly by means of optimization algorithm and get t
10、he optimal solution.To apply to optimization design of the main girders physical dimension and quality of bridge crane so as to rationalization in both accuracy and efficiency.IIKeywords: Crane; Kriging surrogate models; Structure optimization; Incremental Kriging methodIII目 录1 前言 .11.1 引言 .11.2 起重机
11、设计的国内外研究现状与分析 .21.2.1 起重机设计方法展望 .21.2.2 我国起重机行业发展现状及存在的问题 .22 桥式起重机桥架结构与载荷计算 .32.1 桥式起重机工作基本原理 .32.2 箱形梁桥式起重机桥架基本结构 .42.3 桥式起重机主要参数及主梁截面尺寸 .62.4 主梁载荷计算 .82.4.1 主梁载荷 .82.4.2 主梁的设计准则 .93 桥式起重机箱形主梁数学模型的建立 .103.1 设计变量及目标函数的选取 .103.2 约束条件 .114 Kriging 方法 .134.1 基本原理 .134.2 近似模型的优化设计方法 .154.3 DACE 工具包 .16
12、4.4 Kriging 模型拟合精度探讨 .174.4.1 Branin 函数 .184.4.2 Rastigin 函数 .194.4.3 Hartman 函数 .215 kriging 替代模型的优化 .235.1 优化流程 .235.2 ANSYS 分析模型 .245.2.1 模型的建立 .245.2.2 后处理中的求解 .25IV5.3 kriging 优化过程 .26结 论 .28参考文献 .29致 谢 .30太原工业学院毕业设计11 前言1.1 引言在经济社会迅速发展的今天，国内制造业也得到了飞速的发展，现代设计方法和计算机辅助设计也得到了广泛的应用，使得在各大装备制造领域应用广泛的
13、起重机械行业竞争变得更加激烈。为了提高起重机生产设计技术从而适应日益激烈的市场竞争，本文优化起重机的金属结构，以此来降低主梁的生产成本，提高生产率。对起重机整体设计及其性能的改进有着重要的指导意义 【1】 。起重机是用来起重、运输、装载物料和安装设备的通用类起重设备，该类设备广泛应用于国民经济的各个方面。随着现代科技迅速发展，自动化程度的不断提高工业生产规模的不断扩大，起重机械的应用也越来越广泛。因此，对起重机械的设计及研究需要加强。另一方面，随着现代生产发展的水平不断提高，对机械的使用性能、参数、外观等有更高的要求。桥式起重机(以下简称桥机)是起重机械的一个主要类型，它主要作用场所是生产车间
14、，主要实现的功能是在固定的车间内装卸和搬运物料。它的工作场地为整个车间内，有着很强的功能和广泛的应用，因而桥机成为生产批量和消耗特别大的产品。为此，不断加强对桥机生产技术的研究和改进，将不断推动制造行业和国民经济不断向前发展 【3】 。另一方面，随着工业技术的不断发展创新，对起重机械的要求越来越高，大吨位起重机械的应用越来广泛，对起重机械效率要求的提高，起重机动载荷的增大，这样造成了起重机的较大振动。起重机在起升离地载荷、空中载荷、大小车运行机构的突然制动、机构的突然卸载等工矿中会对机构造成很强的冲击，必将加大桥机的整体载荷，对其整体的疲劳特性产生很大的影响 【2】 。传统的起重机设计的时候基
15、本采用直觉法、类比法、经验法等，这些方法不仅设计周期长而且精度差 【6】 。因此，传统设计会做出各种各样的假设和简化，这样会直接导致计算结果与工程实际出现较大差别。这样的设计结果虽能基本满足工程性能上的要求，但是设计出来的主梁容易造成过大的安全系数及裕度，又或是梁的结构与其所能承受的弯矩不相匹，这样必然会导致材料的浪费以及梁本身自重的增加。太原工业学院毕业设计21.2 起重机设计的国内外研究现状与分析人类文明的体现在古埃及建造方尖及胡夫金字塔时竟然发明了人力驱动的起重机，而近现代化起重机不仅采用人力还加入了其他动力，它的发明应用至今已有一百多年的历史，我国的起重机械行业的产生发展也经历了 80
16、 多年的历史。1.2.1 起重机设计方法展望在现代计算机辅助技术和现代化工业飞速发展的今天，对起重设备中的各个性能指标提出了更高层次的要求，因此对起重机的设计必须跳出常规的设计模式，并试图通过新的观点、方法、技术和工艺更好的来设计能适应新形势的产品，起重机未来的设计趋势则是通过运用现代设计方法和工具，现代设计理论和方法的指引下，运用电子、信息、网络等现代科学技术为目的的相关工作。因此，下面为起重机未来的发展方向。(1)以满足个性用户的特殊要求的个性化设计；(2)基于起重机设计中的模糊化设计方法。(3)具有自我分析、调整和纠错的智能化操作集成的机电一体化的起重机设计；(4)基于特征设计的 CAD
17、CAM 集成系统；(5)参数化数字平台优化设计；(6)面向起重机制造和装配设计：(7)采用多学科并行的工程技术的设计，缩短产品生产设计周期；1.2.2 我国起重机行业发展现状及存在的问题随着经济的快速发展，我国的起重机械行业取得了长远的的进步和发展， “十五“ 期间的年平均增长率超过 30。尽管我国在某些技术方面与西方发达国家存在一定的差距，但这并不影响我国已经成为起重机制造大国。目前我国起重机设计水平总体较低，还处于传统的设计阶段，所设计的产品只能基本保证安全但结构笨重，总重量大 【8】 。在产品的经济性、可靠性和优化性方面的研究不够，这不符合我国走太原工业学院毕业设计3制造业强国的发展要求
18、。目前我国起重机制造业存在的问题如下：(1)产品开发能力较弱、制造工艺水平低大多中小企业对设计研究分析不够，投入资金较少，对于国外的先进技术设备不能进行创新设计，产品主要模仿国外，没有自己的知识产权。生产厂家为了降低成本、简化生产管理，对于成型的通用起重机只能做到对车轮组、滑轮组、卷筒组和联轴器的通用化设计。我国起重机行业对于采用高精度数控加工设备、计算机辅助工艺与制造等先进的制造工艺还需进一步提高 【10】 。(2)产品技术标准更新慢我国产品生产的技术标准制定历来紧跟先进国家及地区标准，但缺乏一定的创新和吸收能力(3)专业化协作水平低我国专业化协作水平只能达到五分之一，其余部分仍需企业自行设计制造，这样就需要花费大量的时间和人力物力，影响了起重机的生产周期。(4)交货期长设计及工艺水平落后直接导致我国制造非标起重机的交货周期长，一般均为五到七个月，达到了国外同级水平的两倍多，在日益激烈的市场环境下，将直接导致企业竞争力不足。同时计算机的广泛应用，促使许多高效有力的设计方法涌现，直接推动了现代制造技术和检测手段的发展，市场竞争也逐渐依赖于技术竞争，这些都促使起重机行业的竞争趋于白热化，在世界经济一体化的今天，以技术创新为动力，在跟踪和引进国外先进技术的同时，培养自主创新能力，发展我们自主品牌的新产品，并进军国际市场，为向知识经济方向发展创造条件。
