起重机结构框架的优化设计外文翻译资料

 2022-03-16 11:03

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起重机结构框架的优化设计

  1. E. Uysa，*，K Jarmaia,b ，J Farkasb

摘要

为了找到能够容易地安装在常规农用车辆上以及从常规农用车辆移除的多用途起重装置的最具成本效益的设计，在支撑装置的主框架上执行包括材料和制造费用两者的成本优化。优化受到局部和全局屈曲和疲劳状况的限制。将Snyman的基于梯度的LFOPC优化算法应用于连续优化问题，导致经济地确定明确的连续解，然后将其用作离散可用轮廓集合内的邻域搜索的起点，以获得离散最佳。

对于不同的钢种以及与不同国家的制造和材料成本相关的最佳进一步调查。还研究了优化目标函数的公式变化的影响。结果表明，通过优化可以获得相当大的成本效益，即在不同国家进行成本核算不一定导致相同的最具成本效益的设计，并且准确地表达目标函数（即现实的数学建模）对于获得最大的收益预期的设计最佳。

关键词：结构优化 最佳设计 优化算法 疲劳 屈曲限制 成本计算

命名

Ai

光束横截面积（mm2）

As

被涂漆的框架表面积（mm2）

Aw

焊缝尺寸（mm）

bi

型材宽度（mm）

gk

限制

Cw

焊接技术不断

Euml;

弹性模量（MPa）

F

在框架上加载（N）

Fy

屈服应力（MPa）

hi

型材高度（mm）

H

框架高度（mm）

HA ， HD1

水平反作用力（N）

IX ，IY

第二转动惯量（mm4）

Kxi ，Kyi

有效长度因素

kp

涂装成本因素（R/m2）

km

制造成本因素（R/kg）

kw

焊接成本系数（R/m3）

L

框架宽度（mm）

Lw

焊接长度（mm）

MI

关于点I = A，B，C，D的时刻

Ni

轴向力（N）

V

结构体积（mm3）

VA1,D1

垂直反作用力（N）

Wxi

弹性截面模量（mm4）

希腊字符

gamma;M1

安全要素

gamma;MF

疲劳安全系数

chi;i

弯曲屈曲系数

chi;LT

横向扭转屈曲系数

kappa;

结构件数量

rho;

材料密度（kg/m3）

theta;w

结构复杂性的困难因素

Delta;sigma;Ni

N个周期的疲劳应力范围

脚注

I = 1

属于垂直梁

i = 2

属于横梁

k = 1，...，16

属于约束

w

属于焊接

min

最小

max

最大

变量

ti

光束宽度（mm）

hi

光束轮廓高度（mm）

术语

SHS

方形空心截面

RHS

矩形空心截面

1、介绍

在南非的农业社区内，需要轻型起重装置，该装置可以轻松地安装在常规农用车辆上。该车辆通常是两轮或四轮驱动的1吨重轻型商用车辆，被称为“bakkie”。农民往往倾向于使用废铁和市场上可以买到的起重机以及满足其需求的自我构建设备。这对用户造成安全威胁，因为压力和应变强度要求未得到验证。另一方面农业经济学迫使农民选择最便宜的选择。本文论述了这些对比的方面，其中经济因素根据负荷和安全要求进行权衡。

关于结构进行的是数学建模，而不是回到有限元分析，这在设置模型和计算时间方面可能是昂贵的，Jarmai等人提出了一种分析方法。导出不同结构组件中的最大弯矩。根据需要支撑的荷载以及结构的局部和整体尺寸，制定本地和整体结构最大应力段屈曲和屈服的标准。疲劳要求以相同的方式制定。这些标准构成了对结构可接受尺寸的限制。另一个复杂的因素是只有离散范围的结构轮廓可用。

考虑到材料和实际制造（切割，材料准备，焊接，精加工，表面处理和涂装）的成本，优化了结构的经济性。与仅基于通常使用的材料成本（或结构质量）的成本计算相比，这种方法构成了一种更现实的实际成本计算方法。劳动力和制造成本因国而异的事实突显了制造业各方面成本的重要性。考虑到成本核算模型的细化可以导致一个结构在一个国家中是最经济的，而另一个结构在另一个国家会更经济，正如在本文中的确显示的那样（第6.2节）。本研究强调了用于优化的目标函数的正确表达式的重要性，指出计算出的最优值与其确定中使用的数学模型一样可靠（6.3节）。

为了优化，使用Snyman的LFOPC算法，因为它在工程问题的优化方面具有经过验证的稳健性和经济性。通过持续优化，成功地进行优化，使得几何体的最大和最小总界限受到限制，随后在指示的连续最佳值附近进行离散最优化的邻域搜索。

2、问题的提出

支撑框架安装在常规的南非农用车上，如图1所示。装置的前端牢固地固定在安装在驾驶室旁边甲板上的滚轴上。在后端，要优化的框架通过螺栓固定在甲板上，并支撑安装电动葫芦的通道杆。升降机控制升降缆绳的垂直运动。升降机沿着的通道轨道延伸超出了背包的后部，以便能够提升质量高达420千克的容器，容纳液体燃料或干物质，如牛饲料。提供的悬挑长度为1米，背面甲板的长度为2米，这意味着横梁中心的有效载荷为6300牛。考虑到在提升过程中不对称的载荷分布和侧向力，为设计目的考虑水平载荷为垂直载荷大小的10％。L=1.2米，框架高度H=1.566米，以确保集装箱可以提升到甲板上并保持直立。

图1 常规农用货车上的起重装置框架（bakkie）

如果在升降过程中框架无法纵向移动，则需要使用纵向支撑来固定框架。

由空心型材（正方形或长方形）构成的框架的设计是必需的，这将以最小的成本，具有适当功能所需的强度。这构成了受限制的设计优化问题。

在图2a中，支撑架上的负载由作用在安装在bakkie甲板[1]后部的横梁中心处的垂直力F表示。如图2c所示，非中心荷载由水平力0.1F作用于后支撑框架的侧面。在图2 a和b中还示出了通过施加的垂直力和反作用力HA和F/2在后框架中产生的力矩（MB，MC和MA）。图2 c和d描绘垂直反作用力（VA1，VD1），水平反作用力HA1和HD1以及水平力产生的轴向力。

图2 后架上的力和时刻

水平梁ME（图2a）中点处的最大弯矩由下式给出

（1）

其中MB是水平光束的水平端点处的时刻

和 （2）

A的时刻是

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