1、毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化50吨起重单吊钩优化设计一、绪论提到设计，我们并不陌生。设计的本质，就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形态存在的资源，创造出满足预先陈述的功能要求的物质实体，以实现对某一设计对象潜在的要求过程，它是价值的具体体现。最早的设计由经验丰富、技术熟练的工人进行的，产品也很简单。机械设计（MACHINEDESIGN），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能
2、的最主要的因素。结构优化设计时近二十余年来发展起来的一门新技术，它的发展对传统的结构设计产生了重大的影响，使人们从被动的分析、校核时期进入了主动的设计阶段。与传统的设计方法相比，优化设计提高了设计质量、加快设计进度和降低设计成本，据资料显示可使工程造价降低525，经济效益十分明显。11选题的背景近年来，随着社会的发展，社会生活中对起重机的需求越来越大，所以起重机的研发越来越紧迫，由于汽车式起重机转场灵活，从而方便快捷，所以近几年我国的汽车式起重机发展很快。但是，与国外汽车式起重机相比，国外汽车式起重机技术得到了飞速发展，为了降低整体成本，提高性能，整体质量越来越小，在起重性能相同的情况下，自重
3、约比十年前降低了20左右，由于车辆自重的减小，使车辆采用尽可能少的轴数（尤其是大吨位起重机），这样，大大简化了车辆的结构，成本降低，同时提高了起重机的作业能力及使用经济性，所以，同等吨位的销售价较前十年有大幅下降，对中国国内市场造成了很大冲击，因此，对我国的汽车式起重机的生产者来说是一个严峻的考验。然而对于起重机整机而言，吊钩是起重机的灵魂，起重单吊钩设计的好坏将直接影响整机的性能。本课题针对50吨起重机单吊钩的分析和研究，从而改进起重机的整体性能，降低成本，同时提高了起重机的作业能力及使用经济性。12选题的意义探索起重吊钩的结构优化设计方法，并将其应用于今后的吊钩设计工程实践中，为今后采用现
4、代优化方法进行吊钩设计起到一个引导和推广作用。利用三维机械设计软件SOLIDWORKS对吊钩建立模型，采用分析模块，模拟吊钩的实际工作受力情况，成功地分析出吊钩内部的应力和应变大小及分布情况，可以看出用传统方法设计出的吊钩存在的不足之处，并利用该软件的设计功能，在满足应力不超过许用应力的情况下，对吊钩进行结构的优化分析，提高危险断面部位的安全系数，减少安全系数过大部位的材料使用，达到减重的目的。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题21研究的基本内容根据力学知识，通过有限元软件分析50吨起重单吊钩工作中力学行为，优化设计50吨起重单吊钩。22拟解决的主要问题1）绘制50吨起重单吊钩CAD二维加工
5、图和建立三维实体图；2）学会使用SOLIDWORKS2010软件，能利用它进行50吨起重单吊钩工作中力学行为分析；3）50吨起重单吊钩结构分析及其优化，并绘制优化后的CAD图和三维实体图。三、研究的方法与技术路线根据力学知识，通过有限元软件分析50吨起重单吊钩工作中力学行为，优化设计50吨起重单吊钩。（1）绘制50吨起重单吊钩CAD二维加工图和建立三维实体图；（2）利用软件进行50吨起重单吊钩工作中力学行为分析；（3）50吨起重单吊钩结构分析及其优化，并绘制优化后的CAD图和三维实体图。单吊钩常用于较小的起重量，吊钩在起重作业中，受到频繁、冲击重载荷的反复作用，一旦出现故障就可能导致重物坠落，
6、造成重大人身伤亡或财产损失。因此，吊钩的基本安全要求就是避免发生突然断裂或脱落，保证作业人员的安全和被吊运物料不受损害。吊钩安全性能需要正确的结构设计、合理选材、适宜的制造方法来保证，并且在使用中要加强安全检查，发现超过标准规定的缺陷要及时报废更新，使取物装置保持持续安全状态。本课题只要求对单吊钩的结构进行优化设计。单吊钩的结构可以分为钩身和钩柄两部分。钩身制成弯曲形状，并留有钩口以方便挂、取吊索、吊链。该区段是承受吊物载荷的主要部分，最常见的截面形状是梯形。钩柄常制有螺纹，它借助与之相配合的螺母将整个吊钩悬挂在动滑轮组的横梁上。考虑到单吊钩的重量，利用软件进行50吨起重单吊钩工作中力学行为分
7、析，通过调整单吊钩的形状使它在加载时整个单吊钩各处的受力相等时，就完成了对单吊钩的优化设计。四、研究的总体安排与进度1）文献综述，文献翻译，开题报告，3周；2）熟悉SOLIDWORKS2010软件，2周；3）绘制50吨起重单吊钩CAD二维加工图和建立三维实体图，2周；4）利用软件进行50吨起重单吊钩工作中力学行为分析，1周；5）50吨起重单吊钩结构分析及其优化，并绘制优化后的CAD图和三维实体图，3周；6）2010年3月至2010年5月，撰写毕业论文，完善论文格式。参考文献1顾迪民，工程起重机，中国建筑工业出版社，198812第二版2蔡福海，全地面起重机发展现状及其关键技术探讨，工程机械与维修
8、，20063张质文，起重机设计手册，中国铁道出版社，19974艾科夫，刘宝成译，优化设计，中国人民大学出版社，20095孔云鹏，机械设计课程设计，东北大学出版社，20006徐格宁，起重运输机金属结构设计，机械工业出版社，19977金属塑性成形的有限元模拟技术及其应用，谢水生，科学出版社，20088起重机械设计手册编写组，起重机械设计手册3版M，北京机械工业出版社，19879华玉洁，起重机械与吊装M，北京化学工业出版社，200110蒋维城，固体力学有限元分析，北京北京理工大学出版社，198911SHUXUEDAO,WEIXINHONG,XIAOMIN,ANALYSISOFSTRESSANDSTR
9、AINDURINGSTRETCHINGSTAGEOFMULTIWEDGECROSSWEDGEROLLINGBASEONFINITEELEMENTMETHOD,COLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGANDMECHANICS,NINGBOUNIVERSITY,CHINA12SHUXUEDAO,ZHANGKANGSHENG,HUZHENGHUAN,“ANALYZINGINFLUENCEFACTORSOFPARAMETERSOFFORCEANDENERGYABOUTCROSSWEDGEROLLING”,THEHEAVYMACHINERY,NO4,2125,2002毕业论文文献综述
10、机械设计制造及其自动化50吨起重单吊钩优化设计1绪论近年来，随着社会的发展，社会生活中对起重机的需求越来越大，所以起重机的研发越来越紧迫，由于汽车式起重机转场灵活，从而方便快捷，所以近几年我国的汽车式起重机发展很快。但是，与国外汽车式起重机相比，国外汽车式起重机技术得到了飞速发展，为了降低整体成本，提高性能，整体质量越来越小，在起重性能相同的情况下，自重约比十年前降低了20左右，由于车辆自重的减小，使车辆采用尽可能少的轴数（尤其是大吨位起重机），这样，大大简化了车辆的结构，成本降低，同时提高了起重机的作业能力及使用经济性，所以，同等吨位的销售价较前十年有大幅下降，对中国国内市场造成了很大冲击，
11、因此，对我国的汽车式起重机的生产者来说是一个严峻的考验。然而对于起重机整机而言，吊钩是起重机的灵魂，起重单吊钩设计的好坏将直接影响整机的性能。本课题针对50吨起重机单吊钩的分析和研究，从而改进起重机的整体性能，降低成本，同时提高了起重机的作业能力及使用经济性。1单吊钩常用于较小的起重量，吊钩在起重作业中，受到频繁、冲击重载荷的反复作用，一旦出现故障就可能导致重物坠落，造成重大人身伤亡或财产损失。因此，吊钩的基本安全要求就是避免发生突然断裂或脱落，保证作业人员的安全和被吊运物料不受损害。吊钩安全性能需要正确的结构设计、合理选材、适宜的制造方法来保证，并且在使用中要加强安全检查，发现超过标准规定的
12、缺陷要及时报废更新，使取物装置保持持续安全状态。11本课题研究历史起重机作为现代工业生产不可缺少的起重设备，被广泛用于各种物流的起重、运输、装卸、安装和人员的输送等作业中，它对减轻人类的劳动强度，实现工程施工机械自动化等方面起着十分重要的作用。随着现代工业的发展，起重机械与吊装作业技术在国民经济中显得更为重要，起吊的重量也由原来的几吨上升到现在的上百上千吨，对起重机及其主要的承重部件如吊钩等的使用性能及安全性也提出了越来越高的要求。英国是搬运设备生产历史最长，品种较全的国家，而美国自70年代以来，在国民经济的大多数部门就已出现自动化较高的搬运系统，西德的产量仅次于美国，居世界第二位。战后的日本
13、由于经济发展的需要，矿业、电力、钢铁工业都急需搬运设备，在引进先进技术的基础上，集中解决电力、矿业及钢铁工业所需的高效起重运输设备，到80年代，起重机产量已超过10万台，其中桥式起重机超过6万台。随着国民经济的发展，起重机向大型化发展，现在国外有些国家己能生产起吊重量1000吨左右的桅杆式起重机，另外德国的800吨履带式起重机，法国的1300吨大平板车等。我国在起重机的发明和使用方面有着悠久的历史，早在新石器时代公元前50004000年，我国古代劳动人民就能用木棒滚动来搬运巨石，在商朝公元前17651760就发明利用了杠杆原理的桔槔。以后又发明了辘轳，汉朝公园前200年四川井盐开采用的绞车和滑
14、车组成的起重装置，就是今天龙门桅杆或升降机的始祖。新中国成立以后，我国的起重运输机械得到了极大的发展，从无到有，从小到大，今天已能设计制造近千吨的起重机，吊装工艺和制造水平也在飞速提高。我国太原重机公司制造的三峡1200吨水电站桥式起重机，其主副钩的起升质量分别为1200吨和125吨。我国烟台的莱佛士船厂的固定回转起重机的主吊钩已能将1900吨的物体吊至150米高，副钩能将200吨物体吊起135米。目前，世界汽车起重机的生产，从技术上讲，德国利勃海尔公司略占优势，但从企业规模上讲，美国格鲁公司居世界首位，而生产量则是日本的多田野和藤加最多。市场总的趋势是供大于求，面对激烈竞争，国外各大公司纷纷
15、增加投资、扩大生产、提高自身的竞争能力外，还通过联合或兼并来提高在国际市场的份额。如1984年，美国格鲁夫公司收购了英国老牌企业科尔斯公司。1987年，德国克虏伯公司收购了格的瓦尔德公司，成为当时德国最大的起重机公司，但该公司1995年又被美国格鲁夫公司收购。1990年，日本多田野兼并了德国法恩公司等。在起重机行业内，国外的发型汽车起重机的发展比我国迅速，在技术和运用上已相当成熟，目前国际市场对汽车起重机的需求在不断增加，从而使国外各大汽车式起重机制企业在生产中更多的应用优化设计，机械自动化和自动化设备，这对起重机行业的发展造成了很大的影响。目前国外的起重机企业主要是生产大吨位的起重机，而且有
16、完善的设计体系，和一批先进的研发人员，不断的进行创新和完善。国外的制造企业现在已经达到规模化的生产，技术含量比较高，而且液压技术和电子技术在汽车起重机的设计中也已广泛的应用，很多企业的品牌在用户的心中已经打上了坚实的烙印，这也使得国外起重机的继续发展占有了更大的优势。212本课题研究现状目前吊钩的主要问题是大吨位的吊钩自重较大，这是一个不容易解决的难题。由于传统的设计方法及设计理论的缺陷，不能精确的反映所设计的吊钩内部应力的大小及应力分布情况，不能充分利用吊钩的材料性能，再加上凭经验和现场使用情况来大致作一些形状上的改进，考虑安全第一的因素，于是尽量加大吊钩的安全系数，造成所设计的吊钩过分安全
17、，钩体庞大，笨重，使用不灵活，吊钩结构布局设计不太合理，结构尺寸不合理，特别是对于一些根据实际使用需要而自行设计的吊钩，这些问题更加突出。吊钩设计的不合理，造成材料的浪费，使材料的承载能力得不到充分的发挥，耗工耗时，耗材耗能，使用时挂钩不灵活，不能很好的缩短挂钩时间，提高生产效率。2本课题研究的内容和方法21本课题研究的内容本课题只要求对单吊钩的结构进行优化设计。单吊钩的结构可以分为钩身和钩柄两部分。钩身制成弯曲形状，并留有钩口以方便挂、取吊索、吊链。该区段是承受吊物载荷的主要部分，最常见的截面形状是梯形。钩柄常制有螺纹，它借助与之相配合的螺母将整个吊钩悬挂在动滑轮组的横梁上。322本课题研究
18、的方法优化设计英文名是OPTIMIZATIONDESIGN，从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。第二次世界大战期间，在军事上首先应用了优化技术。1967年，美国的RL福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。1970年，CS贝特勒等用几何规划图21单吊钩的三个危险断面解决了液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发展。随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展，优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科，并在生产实践中得到了广泛的应用。通常设计方案
19、可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给定，有些没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。如何找到一组最合适的设计变量，在允许的范围内，能使所设计的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本最低（即技术经济指标最佳），有市场竞争能力，同时设计的时间又不要太长，这就是优化设计所要解决的问题。一般来说，优化设计有以下几个步骤建立数学模型。选择最优化算法。程序设计。制定目标要求。计算机自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性规划和非线性规划。4设计时要特别注意几处危险断面，吊钩断面形状有矩形、梯形和丁字形等，一般起重机用梯形断面的单钩或双钩，矩形断面的吊钩一般为板式吊钩，电动葫
20、芦常用T形断面吊钩。吊钩的主要尺寸之间有一定的关系，如开口度S与钩孔直径D之间，S075D。5吊钩有三个危险断面，在检查时要特别注意。如图21所示，吊钩的三个危险断面是1AA断面一方面受吊索拉力的作用，吊钩有被拉直的趋势；另一方面还受弯矩的作用。因为作用于此断面的弯矩最大，其所受弯曲应力也最大，所以此断面是一个危险断面。2BB断面与AA断面相同，BB断面在吊索拉力的作用下，有被拉直和剪断的趋势，此处所受剪切应力最大，故也是危险断面。3CC断面，该断面是钩柱最细的部分，在吊索拉力的作用下，有被拉断的趋势。此处所受拉应力最大，故也是危险断面。63本课题的发展动向和趋势目前吊钩的主要问题是大吨位的吊
21、钩自重较大，这是一个不容易解决的难题。由于传统的设计方法及设计理论的缺陷，不能精确的反映所设计的吊钩内部应力的大小及应力分布情况，不能充分利用吊钩的材料性能，再加上凭经验和现场使用情况来大致作一些形状上的改进，考虑安全第一的因素，于是尽量加大吊钩的安全系数，造成所设计的吊钩过分安全，钩体庞大，笨重，使用不灵活，吊钩结构布局设计不太合理，结构尺寸不合理，特别是对于一些根据实际使用需要而自行设计的吊钩，这些问题更加突出。吊钩设计的不合理，造成材料的浪费，使材料的承载能力得不到充分的发挥，耗工耗时，耗材耗能，使用时挂钩不灵活，不能很好的缩短挂钩时间，提高生产效率。因此，利用现代的优化设计理论和方法以
22、及现有的计算机辅助设计手段，对吊钩进行设计和改进，是很有必要的，也是现代的设计者们必须考虑的问题。随着现代冶金行业冶炼技术的飞速发展，需要起重的重量越来越大，吊钩也面临着严峻的考验，利用现代化的设计理论和设计手段进行吊钩的优化设计，是我们必须思考的问题，也是今后吊钩设计的必然的趋势。参考文献1顾迪民，工程起重机，中国建筑工业出版社，198812第二版2蔡福海，全地面起重机发展现状及其关键技术探讨，工程机械与维修，20063张质文，起重机设计手册，中国铁道出版社，19974艾科夫，刘宝成译，优化设计，中国人民大学出版社，20095孔云鹏，机械设计课程设计，东北大学出版社，20006徐格宁，起重运
23、输机金属结构设计，机械工业出版社，19977金属塑性成形的有限元模拟技术及其应用，谢水生，科学出版社，20088起重机械设计手册编写组，起重机械设计手册3版M，北京机械工业出版社，19879华玉洁，起重机械与吊装M，北京化学工业出版社，200110蒋维城，固体力学有限元分析，北京北京理工大学出版社，198911SHUXUEDAO,WEIXINHONG,XIAOMIN,ANALYSISOFSTRESSANDSTRAINDURINGSTRETCHINGSTAGEOFMULTIWEDGECROSSWEDGEROLLINGBASEONFINITEELEMENTMETHOD,COLLEGEOFMECHA
24、NICALENGINEERINGANDMECHANICS,NINGBOUNIVERSITY,CHINA12SHUXUEDAO,ZHANGKANGSHENG,HUZHENGHUAN,“ANALYZINGINFLUENCEFACTORSOFPARAMETERSOFFORCEANDENERGYABOUTCROSSWEDGEROLLING”,THEHEAVYMACHINERY,NO4,2125,2002本科毕业论文（20届）50吨起重单吊钩优化设计摘要摘要吊钩是起重机上重要的承力构件，人们对吊钩的设计仍然沿袭传统的静强度设计方法，设计出的吊钩往往会出现不安全或者者过分安全的问题。吊钩强度不足容易导致其
25、严重变形或者断裂，发生重大的安全事故,造成巨大的经济损失。而安全系数过大，又造成制作材料的浪费和吊钩的粗笨。本文针对50吨起重单吊钩，对其结构和使用情况作了分析，结果表明该吊钩存在安全系数过大、吊钩自重大的情况。利用SOLIDWORKS2010软件，根据吊钩的使用要求，对吊钩的结构作优化设计。将优化后的吊钩模型与原始模型作对比分析，并对优化后的吊钩作出结构的安全性评价，提出吊钩结构的改进意见。结构优化设计是近二十多年来发展起来的一门新技术，它的发展对传统结构设计产生了重大的影响，使人们从被动的分析、校核时期进入了主动的设计阶段。与传统的设计方法相比，优化设计提高了设计质量、加快设计进度以及降低
26、设计成本，根据资料显示可使工程造价降低525，经济效益十分明显。结构优化设计将是今后结构设计的主流趋势。关键词吊钩；有限元分析；安全系数；优化设计。OPTIMIZATIONDESIGNOFTHE50TLIFTINGSINGLEHOOKABSTRACTSHOOKISTHEIMPORTANTSTRESSEDCOMPONENTOFCRANE，NOWPEOPLESTILLUSETHETRADITIONALSTATICINTENSITYDESIGNPROCEDURESTODESIGNTHEHOOKTHERESULTISSOMETIMESINSUFFICIENTSAFEANDSOMETIMESEXCESS
27、IVESAFEINHOOKSAFETYTHEINSUFFICIENTHOOKINTENSITYEASILYMAKESTHEHOOKHEAVYDEFORMATIONEVENFRACTURE,CAUSESSIGNIFICANTSAFEACCIDENT,ANDBRINGSABOUTGIGANTICECONOMICLOSSYETIFTHEASSURANCECOEFFICIENTISTOOBIG,ITWILLHAPPENTHATMATERIALSUNECONOMICUSEANDHOOKSPONDEROSITYTHEAUTHORANALYZESITSSTRUCTUREANDUSAGETOTHE50TLIF
28、TINGSINGLEHOOK,THERESULTINDICATESTHATTHEHOOKHASANOVERSIZEASSURANCECOEFFICIENTANDABIGSELFWEIGHTBYTHESOFTWARESOLIDWORKS2010,ACCORDINGTOTHEUSAGEDEMAND,THEHOOKSTRUCTURESOPTIMIZATIONDESIGNHASBEENDONECARRYINGOUTACOMPARATIVEANALYSISBETWEENTHEPREOPTIMIZATIONMODELANDTHEPOSTOPTIMIZATIONMODELOFTHEHOOK,ESTIMATI
29、NGTHESECURITYOFTHEHOOKSTRUCTUREAFTEROPTIMIZATION,FINALLYPROVIDINGIMPROVEMENTSUGGESTIONSABOUTTHEHOOKSSTRUCTURESTRUCTURALOPTIMIZATIONDESIGNISANEWTECHNIQUEDEVELOPEDINTWENTYRECENTYEARS,ITSDEVELOPMENTHASBEENSIGNIFICANTEFFECTONTHETRADITIONALSTRUCTURALDESIGN,ANDMAKESPEOPLEENTERFROMTHEPASSIVEANALYSISANDVERI
30、FYINGINTENSITYPERIODTOTHEINITIATIVEDESIGNINGSTAGECOMPARINGWITHTHETRADITIONALDESIGNMETHODS,THEOPTIMIZATIONDESIGNCANIMPROVEDESIGNQUALITY，ACCELERATEITSPROGRESSANDREDUCEITSCOST,ITCANMAKEAPROJECTCOSTREDUCE525BYTHECORRELATIVEDATAINDICATING,THEECONOMICEFFECTISVERYOBVIOUSSTRUCTUREOPTIMIZATIONDESIGNWILLBECOM
31、ETHEMAINSTRUCTUREDESIGNMETHODINFUTUREKEYWORDSHOOKFINITEELEMENTANALYSISASSURANCECOEFFICIENTOPTIMIZATIONDESIGN目录摘要11目录131绪论111引言112机械结构优化设计研究的回顾及研究课题的提出2121国内外机械结构优化设计研究回顾2122课题研究的提出413课题研究的目的和意义7131本课题研究的目的7132本课题研究的意义714本文研究的内容和方法8141本文研究的内容8142本文研究的方法及流程图82吊钩有限元分析1021引言1022SOLIDWORKS2010软件简介1023基于S
32、OLIDWORKS2010的吊钩有限元分析1224小结153吊钩结构优化设计1631引言1632机械结构优化设计概述16321结构优化设计的概念1633吊钩结构优化设计17331问题描述17332分析方法及步骤17333优化后的结果分析17334优化前后参数对比分析1934结果与讨论2035小结204结论与展望21参考文献22致谢错误未定义书签。附录241绪论11引言提到设计，我们并不陌生。设计的本质，就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形态存在的资源，创造出满足预先陈述的功能要求的物质实体，以实现对某一设计对象潜在的要求过程，它是价值的具体体现。最早的设计是由经验丰富、技术熟练的工
33、人进行，产品也很简单1。机械设计（MACHINEDESIGN），根据其使用要求对机械的工作原理、结构、各个零件的材料和形状尺寸、力和能量的传递方式、运动方式、润滑方法等进行构思、分析和计算并将它们转化为具体的描述用来作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程重要的组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要因素。对机械结构的设计，一直以来人们还普遍停留在传统的设计理论和方法上，其设计的类型一般有以下几种开发性设计（即一种完全的创新设计），适应性设计（即在功能结构、工作原理基本上保持不变的前提下，对产品作局部的变更或者者只设计少数零部件，以改变某些性能或者者克服某些明显的缺陷，也称为部分
34、创新设计），变型设计（即仅对产品作尺寸大小或者者布置方式的改变）。在强度设计的时候，采用许用应力法和仿形法等的静强度设计法，这些方法是根据结构所承受最不利的工况下的外载荷，以及材料的许用应力来确定结构的截面尺寸或者者验算其强度，反映了最恶劣的情况下的静应力。机械设计努力的目标是在各种限定条件如材料、理论知识、计算手段和加工能力等下设计出最好的机械，即是做出优化设计。优化设计应综合地考虑很多要求，一般有最好的工作性能、最低的制造成本、最小的尺寸和重量、使用中的最可靠性、最低消耗和最少的环境污染。这些要求常常是互相矛盾的，且它们之间的相对重要性因为机械的种类和用途的不同而不同。设计者的任务是按具体
35、的情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械具有最优的综合技术经济效果。在过去，设计的优化主要是依靠设计者的知识、经验和远见。而随着机械工程的基础理论和系统分析、价值工程等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的应用推广,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学的计算。结构优化设计是近二十多年来发展起来的一门新技术，它的发展对传统结构设计产生了重大的影响，使人们从被动的分析、校核时期进入了主动的设计阶段。与传统的设计方法相比，优化设计提高了设计质量、加快设计进度以及降低设计成本，根据资料显示可使工程造价降低525，经济效益十分明显。结构优化设计将是今后结构设计的主流趋势。优化设计是20世
36、纪60年代初时发展起来的一门新兴学科，它将数学中的最优化理论与程设计领域相结合，是在计算机技术广为应用的基础上发展起来的一项新技术。它根据最优化原理和方法综合等各方面的因素，以人机配合方式或者者“自动探索”方式在计算机上进行自动或者者半自动设计，以选出符合现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代的设计方法。其设计手段是计算机和计算程序，设计方法是应用最优化数学方法。最优化设计反映出人们深化了对设计规律这个客观世界的认识，设计上的“最优值”是指在一定条件下得到的最佳设计值，是一种相对的概念。在解决工程设计问题的时候，可从无数地设计方案中找到最优或者者尽可能完善的方案，大大地提高了工程的设计效率和质
37、量。1979年以后结构的优化设计日益受到各行业的重视，特别是航空、国防、造船工业应用的较早。到1981年，结构的优化设计在普及和实际应用方面得到了进一步的发展，到了今天，优化设计已经成为一个热门的研究问题，已经广泛应用于各个工程领域机械、航空航天、船舶、交通、建筑、电子、通讯、冶金、石油、纺织、管理等，并且产生了巨大的社会和经济效益。特别是因为现代国家、地区和企业间的激烈竞争，各种原材料、能源的短缺，使优化设计越来越受到人们广泛的重视，并且成为21世纪工程设计人员必须掌握的一种设计方法。本文结合了传统静强度设计和校核的方法，应用现代优化设计理论及方法，充分利用现有的三维机械设计软件SOLIDW
38、ORKS2010，结合机械工程学、力学、材料学等学科知识，建立与实际工况相符的结构模型和动力学模型，对起重单吊钩进行结构的优化设计。12机械结构优化设计研究的回顾及研究课题的提出121国内外机械结构优化设计研究回顾1国外机械结构优化设计研究回顾自从人们使用机械产品以来，对其设计的探寻就没有停止过。从最初的“直觉设计”、“经验设计”到传统的“静强度设计”，再到今天热门的“现代优化设计”，各国的科学家和工程设计师们为之付出了巨大的努力，作为国家经济建设必不可少的机械设备，起重机同样经历了这一设计的历程。起重机的设计和使用需求在很大程度上反映了国民经济和机械工业的发达程度。20世纪30年代末，由于工
39、业生产和军事发展的需要，提出了一些无法用古典的微分法和变分法解决的问题，在许多学者和广大科技工作者的共同努力下，逐渐产生、发展和形成了一种新的数学方法最优化法，它大致可以分为两类，间接最优化法解析最优化法和直接最优化法实验最优化法。40年代后期原苏联首先将概率论和数理统计方法引入到结构设计中，形成了安全度理论，以超载系数、材料匀质系数和工作条件系数来考虑载荷、材料及环境的一些随机性因素，并以此为基础发展为结构的可靠性理论3。1960年，LASCHMIT首先提出了结构优化设计的数学规划方法，将布局给定条件下的结构尺寸的优化设计问题转化为取得目标函数的极值的数学问题，并且给出了用该方法求解多种载荷
40、情况下弹性结构设计的数学表达式3。在这个表达式中，结构优化设计成为在诸如应力、频率、位移等性态函数约束下的“N”维设计变量空间中目标函数的数学极值问题，而由线性和非线性规划方法来实现极值的搜索。例如，使用梯度投影法、可行方向法以及惩罚函数法等方法，来实现这种搜索。这样的结构优化的数学规划方法，在它出现以后不久的时间里很快便普及，并且应用到大量结构设计的问题上。1966年，DKANLIE和JMOE等将数学规划方法应用于船舶结构设计，开创了船舶结构设计的新时代。数学规划方法应用于实际结构优化问题时往往会因为设计变量太多，约束条件太多和所需结构分析的次数太多而效率很低。1968年以后VENKAYYA
41、8和GELLATLY12等开始重新大力研究，发展了结构优化的最佳性准则法，在几年内获得了很大的进展。导出了应力、频率、位移、屈曲、颤振等约束条件下结构的最佳准则，编制出了基于有限元结构分析和这些准则的大型优化程序。这些程序可处理的约束条件包括静应力、位移、稳定性以及动刚度、气动弹性约束，可以处理各向同性、各向异性和分层的复合材料结构，问题可以包含上千个设计变量。在最佳准则法获得迅速发展的同时，数学规划方法的研究工作也取得了很大进展。SCHIMT111516等针对数学规划法效率低的缺点，提出了结构综合的近似概念，使得这类方法的效率得到很大的提高。特别是所需要的结构分析次数已和准则法处于同一数量级
42、，即通常只需要进行510次的结构分析便可达到收敛。70年代末，KNOT，BERKE和VENKAYYA对最佳准则法的研究表明，各种迭代公式之间有着密切的联系，而且可以用非线性规划的投影方法导得某些关系式。同时，FLEURY在原有最佳性准则方法的基础上，提出了广义最佳性准则以及用对偶公式求解结构优化问题的算法。接着SCHMIT和FLEURY提出了将对偶方法和近似概念相结合的算法，进一步完善了基于有限元和结构综合近似概念的ACCESS程序系统，提高了规划法的效率。作为一个有效的数值分析工具，有限元法发源于固体力学，在今天许多的科学领域当中已经有了成功的应用。1960年9由CLOUGH在他的论文“TH
43、EFINITEELEMENTINPLANESTRESSANALYSIS”中提出了有限元FINITEELEMENT这一术语。有限元法能迅速而准确地分析结构强度和刚度等问题，它不仅可以对已有的结构进行校核计算，而且能够对设计构件中的模型进行多种方案的分析比较并且选出最佳方案19。它的特点是把一个连续的弹性体看成是由有限个简单的单元组成的集合体，通过对各单元的特性分析，考虑每个单元在整体结构中相互联系的特征，将离散化模型的数学表达式变成代数方程式，用数值法求解这些代数方程，就能成功地计算出物体上各处的应力和位移。1943年在数学界已有发现有限元法的构思，由于当时没有计算机，所以未得到发展。有限元法应
44、用在工程上，有1956年由特纳TURNER等人应用于飞机的结构分析。当时主要是应用于计算简单的零部件上，大的、复杂的问题还无法解决。60年代美国国家宇航局提出应该搞大型有限元程序，编制出了NASTRAN程序，以及今天广泛使用的大型分析软件ANSYS等，为机械结构的优化设计提供了强有力的工具，计算的由现行问题发展为非现行问题，德国、美国等相继编制出了大程序，使有限元的程序向结构化，模块化层次化的方面发展。122课题研究的提出1国外起重机及吊装技术概况起重机作为现代工业生产中必不可少的起重设备，被广泛用于各种物流的起重、装卸、运输、安装和人员的输送等作业中，它在减轻人类的劳动强度，实现工程施工机械
45、自动化等方面起着十分重要的作用。随着现代工业的发展，起重机械与吊装作业技术在国民经济中显得更为重要，起吊的重量也从原来的几吨上升到现在的成百上千吨，对起重机及其主要的承重部件如吊钩等的使用性能及安全性能也提出了越来越高的要求。英国是搬运设备生产历史最长，品种较全的国家7，而美国自70年代以来，在国民经济的大多数部门就已出现自动化较高的搬运系统，西德的产量仅次于美国，居世界第二位。战后的日本由于经济发展的需要，矿业、钢铁工业、电力都急需搬运设备，在引进先进技术的基础上，集中解决电力、矿业及钢铁工业所需要的高效起重运输设备，到80年代，起重机产量已超过10万台。随着国民经济的发展，起重机向大型化发
46、展，现在国外有些国家己能生产起吊重量1000吨左右的桅杆式起重机，另外还有德国的800吨履带式起重机，法国的1300吨大平板车等。2国内起重机及吊装技术概况2在起重机的发明和使用方面我国有着悠久的历史，早在新石器时代公元前50004000年的时候，我国古代的劳动人民就能用木棒的滚动来搬运巨石，在商朝公元前17651760时就发明了利用杠杆原理的桔槔。以后又发明了辘轳，即汉朝公园前200年时四川井盐开采用的绞车和滑车组成的起重装置，就是今天龙门桅杆或者升降机的始祖。新中国成立以后，我国的起重运输机械得到了极大的发展，从无到有，从小到大，今天已能设计制造能起吊重量近千吨的起重机，吊装工艺和制造水平
47、也飞速提高。我国太原重机公司制造的三峡1200吨水电站桥式起重机，其主副钩的起升质量分别为1200吨和125吨。我国烟台的莱佛士船厂的固定回转起重机的主吊钩已能将1900吨的物体吊至150米高，副钩也能将200吨的物体吊起135米。3吊钩设计现状吊钩根据制造方法的不同，可以分为锻造钩和板钩片钩，由于形状的不同又可以分为单钩和双钩，单钩和锻造钩一般用于起重量小于50吨的起重机上。鉴于吊钩工作的特殊性，要求其制作材料具有较高的强度和良好的韧性，目前广泛采用16MN，20SIMN，36MN2SI，Q235等，锻钩则常采用20优质低碳钢。吊钩作为起重机上的重要承载零件，其强度安全与否随着起重机起吊重量
48、的需要，其设计也面临着相应的考验。根据所了解的各种资料、相关信息和相关文献的报道，目前各种起重机上所使用的吊钩，不管是锻钩还是板钩，其设计的主要方法还是局限在传统的静强度设计方法上。长期以来，我国在起重机吊钩的设计上，仍然采用许用应力法，仿形法等静强度设计方法，这些方法就是根据结构承受最恶劣工况条件下的外载荷，以及材料的许用应力来确定结构截面尺寸或者验算其强度。虽然随着近年来计算机技术的不断提高，大型三维建模软件诸如PORE，UG，SOLIDWORKS，大型分析软件如ANSYS的应用，为工程机械的设计分析提供了现代化的设计环境和条件，有限元法、边界元法已经广泛应用到静强度分析中，能精确反映结构
49、的应力及应变的分布情况，但应用这些先进的设计分析软件对吊钩进行设计改造的还是不多。4吊钩传统设计方法及设计理论到目前为止，起重机上所使用的吊钩的设计原理和设计方法仍沿袭使用传统的方法，例如利用静强度理论进行强度的校核，根据提供的参数设计吊钩结构和确定尺寸的大小等。传统设计中最主要的和最常用的方法有以下几种61利用直梁偏弯曲的方法进行计算和校核，然而此方法导致的误差较大，现在一般不用。2采用弹性曲梁理论45610，以曲梁弯曲最大应力不超过屈服极限来计算。曲梁弯曲时，变形的原始长度L在各处是不相同的，故应变AL/L的分布呈非线性，应力EE的分布也呈非线性。曲梁受纯弯曲载荷时，中性层不通过断面的形心，而是向内偏移了一段距离E。此方法对那些不允许永久变形的机械零件例如轴、齿轮等是合理的，但对吊钩却不太适用，因为吊钩的几何尺寸略微变化并不妨碍它的继续使用。3极限承载能力计算法在过去国内外都按照弹性曲梁理论来计算吊钩的强度，对吊钩的设计显得不太合理，因而后来出现了“极限承载能力法”，充分利用了材料在超过屈服极限后塑性变形阶段的承载能力，此方法对减轻吊钩的自重有很大意义。极限承载能力是包括屈服变形阶段在内的最大承载能力，可以通过实验测定其值的大小。设QJ为吊钩的极限承载能力，QE为额定起升重量，则安全系数NQJ/QE，当运送熔融金属时，安全系数应考虑增大一倍。对矩形断面如板
