1、本科毕业论文（20 届）桥式起重机箱型主梁的优化设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期桥式起重机箱型主梁的优化设计摘要：起重机械是现代化生产过程中必不可少的辅助工具，也是合理组织生产不可缺少的生产设备。对安全生产、减少事故更有显著作用针对国内桥式起重机箱形主梁消耗钢材多，重量偏大，提出了对主梁结构的优化设计。本设计对主梁结构分析的基础上，建立了相应的优化设计数学模型，以重量为设计目标，以强度、刚度和稳定性为主要约束条件，利用 MATLAB 编写了相应的程序，通过优化参数的对比，较好地解决了桥式起重机箱形主梁的优化设计问题。在桥式起重机起重量一定不同跨度下并满足强度、刚度等条
2、件下达到用料最省的目的。得出了可靠的优化设计结果。关键词：桥式起重机，箱型主梁，MATLAB，优化设计Structure Analysis and Optimization Design of The Main Girder of Overhead Traveling CraneAbstract:The hoisting machinery is a necessary adjunct in modern production, it is reasonable to organize production indispensable production equipment. On prod
3、uction safety, reduce accidents more significant role in domestic consumption of steel box girder of overhead traveling crane, large weight, the optimization design of the main girder structure. The design of the main girder structure based on the analysis, the mathematical model of optimal design c
4、orresponding to the weight, as the design object, with the strength, rigidity and stability as the main constraints, and the corresponding program is written by MATLAB, through comparing the optimization parameters, solved the optimization design of cranes box girder. Crane weight of different spans
5、 and meet certain conditions such as strength, stiffness to the minimum material consumption purposes. The optimization design results are reliable.Key words: bridge crane, box girder, the MATLAB, the optimization designI目 录1 前言 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 起重机械的发展趋势 .11.3 桥式起重机相关概念 .31.3.1 桥式起重机的构成 .41.3.2
6、 桥式起重机的分类 .41.3.3 桥式起重机的构造 .41.3.4 桥式起重机的主要参数 .41.3.5 桥式起重机金属结构 .51.4 桥式起重机基本工作原理 .62 优化设计知识背景 .72.1 优化设计的概述 .72.2 优化设计的过程 .72.3 优化设计数学模型 .82.3.1 设计变量 .82.3.2 目标函数 .92.3.3 约束条件 .92.4 优化方法的分类和选择 .102.4.1 优化方法的分类 .102.4.2 优化方法的选择 .112.5 MATLAB 简介 .112.5.1 MATLAB 的特点 .112.5.2 MATLAB 优化工具箱 .122.5.3 fmin
7、con 函数介绍 .123 主梁结构分析 .153.1 桥式起重机各项参数 .153.1.1 主梁结构相关参数 .153.1.2 主梁的材料选用 .153.2 主梁的设计准则 .163.3 桥式起重机箱形主梁结构及载荷情况 .18II3.3.1 通用桥式起重机桥架结构和承载简图. .183.3.2 起重机主梁的截面结构. .194.数学模型的建立 .204.1 设计变量及目标函数的选取 .204.2 约束条件 .214.2.1 正应力约束条件 .214.2.2 剪应力约束条件 .224.2.3 铅垂静刚度约束条件 .234.2.4 水平静刚度约束条件 .234.2.5 动刚度约束条件 .244
8、.2.6 板的高厚比值约束条件 .244.2.7 盖板的厚度比值约束条件 .254.2.8 主梁的跨高比值和跨宽比值约束条件 .254.2.9 横向加劲板厚度约束条件 .264.2.10 变量的取值边界条件 .265 选择优化算法，计算及结果分析 .285.1 选择优化算法 .285.2 优化结果分析 .29结 论 .33参考文献 .34致 谢 .3611 前言随着全球经济的快速发展和科学技术的进步，国内制造业面临巨大的挑战。尤其是起重机械面临更加激烈的市场竞争，为了赢得国内外市场提高起重机械的生产技术，本文就起重机主梁进行优化设计，这样节省材料，提高生产率，能够更快更好的满足用户需要。1.1
9、 课题的背景和意义起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的机械设备。它在国民经济各部门都有相当广泛的应用，在现代化生产中占有重要地位。起重运输机械对于提高生产能力、保证产品质量、减轻劳动强度、降低生产成本、提高运输效率、加快物资周转、流通等方面均有着重要的影响。起重机械是现代化生产过程中必不可少的辅助工具，也是合理组织生产不可缺少的生产设备。对安全生产、减少事故更有显著作用。其中用于生产车间的桥式起重机，是起重机的一个主要类型。它是在固定的车间内装卸和搬运物料的，它的起重范围可以从几吨到几百吨。桥式起重机主要应用于大型加工企业，如钢铁、冶金和建材等行业，完成生产过程中的起重和吊装
10、等工作。由于桥式起重机行驶在高空，作业范围能扫过整个厂房的建筑面积，具有非常重要的和不可替代的作用，因而深受用户欢迎，得到了很大发展。因此桥式起重机成为起重机械中生产批量最大、材料消耗最多的一种产品。加强对桥式起重机的研究和改进，促进其不断发展，必将对生产加工企业乃至整个国民经济产生巨大的推动作用。因此对其进行研究，改进其结构使其更加合理，使用更加方便，成本更加低廉，具有重要的现实意义 1。目前工厂用的桥式起重机，其结构尺寸一般都较国外同吨位的产品大很多，相同起重量和近似跨度的起重机重量相差一倍。除了材料上的差别外，主要是在结构尺寸上的差别造成的，出现了材料浪费的问题。本设计针对桥式起重机在起
11、重量一定，不同跨度的情况下，拟用 MATLAB 软件对桥式起重机箱形主梁结构尺寸进行结构分析和优化设计，以达到在满足强度、刚度的前提下用料最省的目的 2。1.2 起重机械的发展趋势2科学技术的飞速发展，现代设计和制造水平不断提高，起重机械市场的竞争也依赖于技术的竞争，推动起重机设计制造进入新的发展阶段。起重机械的总体性能不仅从侧面体现一个国家的工业化现代化水平，也体现了科学技术水平。因此，起重机的设计方法也需要不断发展和创新，不断完善结构性能，使设计出来的起重机更符合经济性、功能性、可靠性的设计要求 5。随着科技进步和国民经济建设的需要，当今起重机械的发展趋势表现出以下几个特点 6：（1）向大
12、型化、高效化发展企业的生产规模的扩大、生产工艺过程以及提高生产效率的需要，大型化、高效化是起重机械的一个主要发展方向。起重机械发展的总趋势是由小型化向大型化发展，小吊重向大吊重发展，以适应现代化建设和生产制造的基本需要 7。目前，最大的桥式起重机起重量已到达 20000 吨，最大的履带起重机起重量超过 3600 吨。起重机的工作速度也逐渐提高，特别港口、码头等用于大宗散料装卸的起重机。小车运行速度达到 4m/s6m/s，起升速度达到 1.6m/s2m/s 。（2）向自动化、智能化、信息化发展把现代电子技术和传统机械技术相结合，将先进的电子技术、液压技术、控制技术等应用到起重机的驱动和控制系统
13、8，实现起重机自动控制、自动定位、自动调节、自动补偿、自动辨别和自动诊断等功能，以适应自动化生产的要求。当起重机在工作过程中出现异常或突发情况，会向操作者报警提示或在紧急情况下自动停止工作，避免人身财产的损失和危险情况的出现。（3）向轻型化、多样化发展用于车间和仓库的起重机，工作并不是十分繁忙，用来减轻工人劳动强度和提高生产和存储的工作效率。为了考虑综合效益，要求这类起重机在设计中应尽量减少外形尺寸，结构简化，减轻自重，降低生产制造和维护成本，同时减少产房基建投资费用和起重机运行成本。（4）向模块化、系列化发展模块化设计代替整机设计方法。为了降低生产成本，提高通用化程度，可以采用模块化设计。将
14、功能相同或相近的部件和机构形成标准化的模块，用比较少的零部件和不同功能的模块组合成不同品种、不同规格、不同用途的起重机。这样不仅能降低生产成本，而且能提高起重机械的生产效率。我国起重机械制造业开始于 20 世纪 50 年代，同国外先进发达国家相比，起重3机械行业的起步较晚。经过几十年的发展，从无到有，从仿制到自行设计，虽然在性能和技术上有了很大的进步和提高，但在产品的种类和数量以及整机的性能和质量等方面仍然存在一定的差距，主要表现在:（1）产品性能一般起重机的整机性能是从设计、制造、安装以及维护使用的综合情况的反应。国内生产的起重机械存在自重较大、电气控制故障较多、操作设施落后、传动部件噪声较
15、大等问题，除部分设计上的原因以外，关键是材料热处理及机械加工工艺落后，起重机的可靠性、零部件结构性能以及整机性能还有待进一步提高。（2）产品研发能力较弱起重机械产品更新换代速度较慢，缺少掌握关键设备自主知识产权的核心技术和产品研发能力，在通用模块化设计与制造、计算机辅助设计和可靠性设计应用等方面应用需要进一步的提高。提高科研人员水平，加大研发经费投入、采用先进测试工具和提高企业管理水平是提升具有自主知识产权产品研发设计能力的重要途径。（3）制造工艺水平较低生产制造所用的装备力量薄弱，生产过程中需要采用高精度的数控加工制造设备，计算机辅助设计与计算机辅助制造以及计算机辅助工程的应用、对钢材进行预
16、处理技术以及自动焊接质量等方面需要提高。（4）产品技术标准滞后我国起重机械产品技术标准采用国际标准或先进国家标准，消化吸收和创新能力不足，产品技术更新滞后时间长 9。国内企业缺少自己先进的技术标准，不能随技术的发展和市场的需要及时更新。1.3 桥式起重机相关概念起重机是从事起吊、空中搬运的一种设备。常见的起重机有:桥式起重机、门式起重机、塔式起重机、港口起重机、汽车起重机、履带起重机等。桥式起重机是机械制造工业和冶金工业中用得最广泛的一种起重机械。桥式起重机又称“行车”或“天车” ，是横架在固定跨间上空用来吊运各种物件的设备。它既不占据地面作业面积，又不妨碍地面上的作业可以在起升高度和大、小车
17、轨道所允许的空间内担负任4意位置的吊运工作。1.3.1 桥式起重机的构成桥式起重机主要由机械部分、金属结构和电气三大部分所组成 3。机械部分:由起升、运行、变幅和旋转等机构组成，但不是在所有的起重机械中都同时具有这些机构，而是根据工作的需要，配备不同。但是起升机构是必不可少的。金属机构:构成起重机械的躯体，是安装和支托各机构全部重量的主体部分。电气:起重机械动作的能源各机构都是单独驱动的。1.3.2 桥式起重机的分类作为物料搬运机械中的最主要的一种，在各行各业中得到广泛的应用。为了满足各种不同场合的使用要求，出现了各种类型的桥式起重机。桥式起重机有多种类型。一般按以下方法进行分类。根据桥架的结
18、构不同，分为箱型结构，四衍架结构和腹板梁结构等，其中箱形结构应用最广泛。根据起吊装置不同，分为吊钩桥式起重机、电磁盘桥式起重机、抓斗桥式起重机。为了使吊钩桥式起重机使用场合更广泛，在吊钩上附以可更换的电磁盘或马达抓斗，以便作两种或三种用途 4。1.3.3 桥式起重机的构造通用桥式起重机，一般都具有三个机构:即起升机构起重量稍大的有主副两套起升机构)、小车运行机构和大车运行机构。另外还包括走栏、司机室等部分。沿建筑物较长方向的两壁设置高的承轨梁，在梁上铺设大车运行轨道将装有 4 个车轮(载荷大的装有 6 个或 8 个车轮)的桥架跨在轨道上，这是构成桥式起重机的主要金属结构部分，并沿轨道前后运行。
19、除桥架外，它横架在车间两侧吊还有小车，小车上装有起升机构和运行机构。这样桥架的前后运行和小车左右运行以及起升机构的升降动作，三者所构成的立体空间范围是桥式起重机吊运物品的服务空间 10。51.3.4 桥式起重机的主要参数（1）起重量:又称为额定起重量，它是指起重机实际允许的起吊最大负荷量，通常以吨作为单位;（2）跨度:起重机主梁两端车轮中心线间的距离，即大车轨道中心线间的距离，以米作为单位;（3）起升高度:吊具或抓取装置的上极限位置与下极限位置之间的距离，可为起升的最大高度，以米作为单位;（4）起升速度:起升机构在电动机的额定转速时，取物装置上升的速度，以米 /分作为单位;（5）运行速度:运行
20、机构在电动机额定转速下运行的速度，以米 /分作为单位;（6） 重量:起重机本身的重量，以吨作为单位;（7）外型尺寸:指起重机长、宽、高的尺寸，以米作为单位 ;（8）工作类型:起重机各机构按照其载荷率和工作繁忙程度划分为轻级、中级、重级和超重级四种工作类型。我国现行通用桥式起重机指起重量为 5250 吨，吊具为吊钩、抓斗、电磁盘及其两用与三用的桥式起重机，其工作环境温度为-2540 4。1.3.5 桥式起重机金属结构桥式起重机金属结构形式繁多，按主梁的数目来说，可分为单梁桥架和双梁桥架。按其结构可分为型钢梁式桥架、箱形结构桥架、析架式桥架 11。（1）型钢梁式结构一般主梁采用工字钢或加强了的工字
21、钢，它的运行小车一般采用电动葫芦。这类结构简单，起重量一般较小。（2）箱形结构桥架是应用最为广泛的桥架结构的基本型式。它由两根主梁和两根端梁组成，主梁是由上、下盖板和两块垂直腹板组成封闭的箱形截面的实体板梁结构。箱形梁式桥架(特别是小车轨道正中铺设的正轨型)具有设计简单、制造工艺好、组装方便、通用性强、利于自动焊、抗扭刚度好等优点。缺点是自重大，桥架水平刚度较差，箱形内部施焊条件差。随着新结构、新工艺和现代设计方法的应用，这些缺点正逐步得以改善。箱形梁式桥架制造省工省场地，结构总高度小，运行机构安装6维修方便。这些有利条件对于尺寸规格多、生产批量较大的桥式起重机生产标准化系列产品来说，显得更加
22、重要。所以正轨箱形梁式桥架结构至今仍然是我国成批生产的、最常用的、典型的一种桥架 12。本文就是研究的箱形结构桥架的桥式起重机，对主梁进行优化设计分析，减轻自重。（3）析架式结构分为三角形析架式、四析架式和空腹析架式结构。析架式结构较箱形结构制造工艺复杂，费工时，难以保证各构件按规定的形心要求组装，焊接变形大。优点是迎风面积小，自重较轻。1.4 桥式起重机基本工作原理桥式起重机是减轻笨重体力劳动，提高作业效率，实现安全生产的起重运输设备。它能在一定范围内垂直起升和水平移动物品，具有动作间歇性和作业循环性的特点。起重机可按主要用途和构造特征分类。按主要用途可分为通用起重机、建筑起重机、冶金起重机、铁路起重机、港口起重机、造船起重机、甲板起重机等 13。桥式起重机主要适用于工矿企业的车间、库房以及铁路、港口等货场固定跨间物料的装卸与搬运。构成桥式起重机的主要金属结构部分是桥架，它横架在车间两侧由立柱支撑起来的轨道上，并能在其上作前后运行。除桥架外的组成部分，还有小车，小车上有起升机构和运行机构，可以带着吊起的物品沿桥架上铺设的轨道左右运行。小车的左右运行，桥架的前后运行以及起升机构的升降动作，这三者所构成的立体空间范围是桥式起重机吊运物品的服务空间。图 1.4 即是电磁吊钩桥式起重机简图。
