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下載手機(jī)APP周 超 李向東江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036摘 要：介紹了起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路、依據(jù)和約束條件，并以一種固定式懸臂起重機(jī)為例，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，確定材料、結(jié)構(gòu)形式和尺寸為優(yōu)化方向，通過(guò)計(jì)算分析和綜合比較，最終確認(rèn)比較合理的優(yōu)化方案，可為工程中起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的參考。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)優(yōu)化；懸臂式起重機(jī)；設(shè)計(jì)計(jì)算中圖分類(lèi)號(hào)：TH215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0785（2020）13-0079-04
0 引言起重機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)裝備，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有舉足輕重的作用。常規(guī)起重機(jī)都是系列化產(chǎn)品，使用行業(yè)內(nèi)通用圖紙，經(jīng)過(guò)多年不斷改進(jìn)已經(jīng)較完善。而一些特殊的起重機(jī)，由于與常規(guī)起重機(jī)在結(jié)構(gòu)、功能、受力方面有較大差異，限于設(shè)計(jì)人員水平以及工期要求，初次設(shè)計(jì)往往只考慮安全要求，對(duì)優(yōu)化方面考慮較少，導(dǎo)致設(shè)計(jì)偏于保守，結(jié)構(gòu)存在不合理之處。起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較多[1-5]，其研究方法往往是建立模型，計(jì)算靜強(qiáng)度、模態(tài)和剛度等數(shù)據(jù)，若與許用值比有余量，則采取減小尺寸、板厚等措施。這是一種單方面的優(yōu)化，雖然優(yōu)化后結(jié)構(gòu)減輕了，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)也降低了[6]。本文將討論起重機(jī)多方向綜合優(yōu)化的思路和方法，以一種固定吊點(diǎn)懸臂式起重機(jī)為例，進(jìn)行起重機(jī)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討，保證安全系數(shù)不大幅度下降的前提下，取得一定的優(yōu)化效果。1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是為了降低制造成本，提高產(chǎn)品性能，增加產(chǎn)品可靠性，這三個(gè)方面目標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的。起重機(jī)產(chǎn)品是一種用來(lái)搬運(yùn)重物的機(jī)電產(chǎn)品，受變化載荷作用，部分產(chǎn)品還屬于法規(guī)監(jiān)管的對(duì)象[7]，因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化必須結(jié)合產(chǎn)品的具體使用需求、電控系統(tǒng)特性、工作空間要求、工作環(huán)境要求、受力特點(diǎn)、技術(shù)規(guī)范要求等因素綜合考慮。常規(guī)的優(yōu)化思路可以從材料、結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)形式等幾個(gè)方面著手進(jìn)行[6,8]。例如，為了降低制造成本，可采取減小板材厚度，減小截面尺寸，降低材料等級(jí)等措施；為了提高產(chǎn)品性能，可采取提高結(jié)構(gòu)剛度，提高材料等級(jí)，提高電控系統(tǒng)等級(jí)等措施；為了增加產(chǎn)品可靠性，可采取減小應(yīng)力集中，增加設(shè)計(jì)余量以及提高材料等級(jí)等措施。顯然，引用改變?nèi)魏我粋€(gè)因素都會(huì)對(duì)三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生不同甚至相反的效果。由此可知，起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種多目標(biāo)優(yōu)化，不可能同時(shí)達(dá)到各個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)結(jié)果，工程實(shí)際中，優(yōu)化都是根據(jù)實(shí)際需求，適當(dāng)降低一些目標(biāo)要求，而去達(dá)到最希望的目的。2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要依據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要依據(jù)一般為安全技術(shù)規(guī)范（TSG）、設(shè)計(jì)規(guī)范[9] 和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如果是定制產(chǎn)品，也要考慮雙方簽訂的技術(shù)協(xié)議中的特殊條款。起重機(jī)安全技術(shù)規(guī)范是強(qiáng)制要求，設(shè)計(jì)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是推薦性標(biāo)準(zhǔn)，但如果設(shè)計(jì)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)被安全技術(shù)規(guī)范引用，也成為強(qiáng)制要求，相應(yīng)的條款要求就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的約束條件和直接依據(jù)。起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和安全技術(shù)規(guī)范對(duì)于材料等級(jí)，明確要求主要受力結(jié)構(gòu)件的材料等級(jí)不低于Q235-B 和20# 鋼，且不能使用沸騰鋼，低溫使用環(huán)境對(duì)材料的沖擊韌性還有進(jìn)一步要求。結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的許用應(yīng)力值與載荷組合有關(guān)。載荷組合A 工況下，許用應(yīng)力[σ]=σs/1.48；載荷組合B 工況下，許用應(yīng)力[σ]=σs/1.34；載荷組合C 工況下，許用應(yīng)力[σ]=σs/1.16，σs 為材料屈服強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力值[σrt] 與應(yīng)力循環(huán)特性r 和基本值[σ-1] 有關(guān)，具體公式參見(jiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范[9]。結(jié)構(gòu)剛性可分為軸心受力構(gòu)件的剛性和起重機(jī)整機(jī)靜態(tài)剛性?xún)煞N要求。軸心受力的剛性用長(zhǎng)細(xì)比λ 來(lái)表達(dá)，受拉時(shí)許用長(zhǎng)細(xì)比[λ]=150 ～ 180，受壓時(shí)許用長(zhǎng)細(xì)比[λ]=120 ～ 150。對(duì)于整機(jī)靜態(tài)剛性，不同類(lèi)型起重機(jī)要求不同，以橋門(mén)式起重機(jī)為例，用跨中下?lián)蟜 表達(dá)整機(jī)靜態(tài)剛度，其與定位精度和跨度S 有關(guān)，低定位精度時(shí)，推薦f ≤ S/500，中等定位精度f(wàn) ≤ S/750，高定位精度f(wàn) ≤ S/1 000，懸臂端f ≤ L/350，L 為有效懸臂[9]。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，分整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性?xún)纱箢?lèi)要求，通常是優(yōu)化后對(duì)結(jié)構(gòu)的校核，驗(yàn)證是否滿足穩(wěn)定性要求。3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法舉例3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)象如圖1 所示，一種特殊的懸臂起重機(jī)，葫蘆起升機(jī)構(gòu)懸掛在懸臂兩個(gè)固定位置，額定起重量為2 t，最遠(yuǎn)處懸臂長(zhǎng)6 m，整體為箱形結(jié)構(gòu)，初次設(shè)計(jì)選用材料為12 mm 厚的Q345B 板材。圖1 固定吊點(diǎn)懸臂起重機(jī)3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程如圖2 所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)前需要收集原設(shè)計(jì)資料，了解產(chǎn)品使用要求，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的分析，提出一些優(yōu)化改進(jìn)的方向，并針對(duì)這些改進(jìn)方向進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合本次優(yōu)化的優(yōu)先目的，給出優(yōu)化的方案。組合不同優(yōu)化方案的最終設(shè)計(jì)，必須根據(jù)優(yōu)化依據(jù)，進(jìn)行全方位的校核計(jì)算。圖 2 綜合優(yōu)化流程2）剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析圖1 中固定吊點(diǎn)懸臂起重機(jī)立柱為壓彎構(gòu)件，懸臂為受彎構(gòu)件，立柱的長(zhǎng)細(xì)比遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求，可忽略構(gòu)件剛性要求。整機(jī)靜態(tài)剛度是考核吊點(diǎn)處（懸臂端部）的主梁下?lián)现?，?biāo)準(zhǔn)要求小于（1/250）·R，R 為有效半徑[10]。強(qiáng)度要求為保證結(jié)構(gòu)在最不利工況下的最大應(yīng)力值小于許用值。根據(jù)圖1 中懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，最大應(yīng)力值在立柱基礎(chǔ)處和懸臂的根部（A-A 和B-B 截面），標(biāo)準(zhǔn)要求此兩處的應(yīng)力值要小于σs/1.34 MPa；穩(wěn)定性要求分局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性?xún)煞矫嬉?。該懸臂起重機(jī)懸臂梁中心線以下部分和立柱中心線內(nèi)側(cè)部分屬于受壓區(qū)，抗失穩(wěn)的措施為設(shè)置加筋板。整體穩(wěn)定性對(duì)于箱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定梁的高寬比小于3即滿足要求。3）結(jié)構(gòu)形式、材料、尺寸分析原設(shè)計(jì)中懸臂梁的加筋板與上蓋板焊接，立柱中加筋板與外側(cè)蓋板焊接，經(jīng)上文分析可知，對(duì)于懸臂起重機(jī)，懸臂下蓋板和立柱內(nèi)側(cè)蓋板是受壓區(qū)，需要增加穩(wěn)定性。因此，立柱中筋板應(yīng)與內(nèi)側(cè)蓋板焊接，懸臂中筋板應(yīng)與下蓋板焊接。立柱和懸臂對(duì)基礎(chǔ)的變形有放大作用，立柱基礎(chǔ)變形對(duì)于吊點(diǎn)處懸臂梁的下?lián)嫌兄匾绊?，盡可能加強(qiáng)基礎(chǔ)的剛性。懸臂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是剛度比較差，剛度通常是設(shè)計(jì)的控制約束條件，在使用環(huán)境允許的條件下，增加一斜拉桿或壓桿，將會(huì)明顯提高結(jié)構(gòu)剛性。該懸臂起重機(jī)吊點(diǎn)是固定的，故在懸臂上部或下部增加桿件對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有干涉。在原設(shè)計(jì)中，整機(jī)結(jié)構(gòu)采用Q345B 材料制作。如上文分析，懸臂起重機(jī)的剛性是主要控制條件，而高強(qiáng)度鋼材對(duì)剛度沒(méi)有更多的益處，只是增加成本，因此主要受力構(gòu)件采用Q235B 即可。原設(shè)計(jì)中腹板12 mm 厚，箱形梁上下蓋板主要起抗彎作用，腹板主要起抗剪和增加橫向剛度作用。該懸臂起重機(jī)受彎矩作用大，剪力相對(duì)較小，且懸臂梁固定不動(dòng)，沒(méi)有橫向力作用，故考慮腹板厚度減小為6 mm。3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)上述分析，擬定了一些優(yōu)化方案：1）懸臂根部局部加支撐；2）增加斜撐；3）腹板厚度減小為6mm 并加增斜撐；4）腹板厚度減小為6 mm，腹板高度統(tǒng)一減小到小端并增加斜撐；5）懸臂采用Ⅰ 50b 工字鋼。為了分析各種優(yōu)化方案的效果及影響，進(jìn)行以下計(jì)算分析。采用有限元方法計(jì)算，工況為最不利工況，即吊點(diǎn)在懸臂最前端位置，起吊額定載荷2 t；邊界條件：立柱基礎(chǔ)位置固定所有自由度；單元Beam 188。計(jì)算結(jié)果如圖3 ～圖8 所示，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果匯總于表1。圖 3 原設(shè)計(jì)圖 4 懸臂根部局部加支撐圖 5 加斜撐圖 6 腹板厚度減小為6mm+ 斜撐圖 7 腹板減小為6 mm，懸臂等截面（小端）+ 斜撐圖 8 懸臂梁采用I50b 型鋼3.4 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算優(yōu)化結(jié)論依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求[9，10]，懸臂剛度f(wàn) ≤ 17 ～ 24 mm，強(qiáng)度[σ ] ≤ 175 MPa。原設(shè)計(jì)剛度剛好滿足要求，強(qiáng)度還有較大富余量。在各種優(yōu)化措施中，加斜撐對(duì)剛度提高最顯著；懸臂根部局部加強(qiáng)后，應(yīng)力集中較明顯，對(duì)剛度沒(méi)有益處；腹板減薄后對(duì)強(qiáng)度和剛度影響很??；原設(shè)計(jì)采用變截面設(shè)計(jì)不如采用斜撐方式有效和節(jié)省材料；對(duì)于此種固定式懸臂起重機(jī)，采用工字鋼和斜撐的組合方式最為簡(jiǎn)單有效。4 結(jié)論結(jié)構(gòu)優(yōu)化是綜合性問(wèn)題，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出一些改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)想，并通過(guò)計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，如有必要，還要進(jìn)行模型和實(shí)物測(cè)試。對(duì)計(jì)算和測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行綜合分析評(píng)估后，才能選定最合適的優(yōu)化方案。參考文獻(xiàn)[1] 宋佳雄，鄭新梅 . 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0 引言起重機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)裝備，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有舉足輕重的作用。常規(guī)起重機(jī)都是系列化產(chǎn)品，使用行業(yè)內(nèi)通用圖紙，經(jīng)過(guò)多年不斷改進(jìn)已經(jīng)較完善。而一些特殊的起重機(jī)，由于與常規(guī)起重機(jī)在結(jié)構(gòu)、功能、受力方面有較大差異，限于設(shè)計(jì)人員水平以及工期要求，初次設(shè)計(jì)往往只考慮安全要求，對(duì)優(yōu)化方面考慮較少，導(dǎo)致設(shè)計(jì)偏于保守，結(jié)構(gòu)存在不合理之處。起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較多[1-5]，其研究方法往往是建立模型，計(jì)算靜強(qiáng)度、模態(tài)和剛度等數(shù)據(jù)，若與許用值比有余量，則采取減小尺寸、板厚等措施。這是一種單方面的優(yōu)化，雖然優(yōu)化后結(jié)構(gòu)減輕了，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)也降低了[6]。本文將討論起重機(jī)多方向綜合優(yōu)化的思路和方法，以一種固定吊點(diǎn)懸臂式起重機(jī)為例，進(jìn)行起重機(jī)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討，保證安全系數(shù)不大幅度下降的前提下，取得一定的優(yōu)化效果。1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是為了降低制造成本，提高產(chǎn)品性能，增加產(chǎn)品可靠性，這三個(gè)方面目標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的。起重機(jī)產(chǎn)品是一種用來(lái)搬運(yùn)重物的機(jī)電產(chǎn)品，受變化載荷作用，部分產(chǎn)品還屬于法規(guī)監(jiān)管的對(duì)象[7]，因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化必須結(jié)合產(chǎn)品的具體使用需求、電控系統(tǒng)特性、工作空間要求、工作環(huán)境要求、受力特點(diǎn)、技術(shù)規(guī)范要求等因素綜合考慮。常規(guī)的優(yōu)化思路可以從材料、結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)形式等幾個(gè)方面著手進(jìn)行[6,8]。例如，為了降低制造成本，可采取減小板材厚度，減小截面尺寸，降低材料等級(jí)等措施；為了提高產(chǎn)品性能，可采取提高結(jié)構(gòu)剛度，提高材料等級(jí)，提高電控系統(tǒng)等級(jí)等措施；為了增加產(chǎn)品可靠性，可采取減小應(yīng)力集中，增加設(shè)計(jì)余量以及提高材料等級(jí)等措施。顯然，引用改變?nèi)魏我粋€(gè)因素都會(huì)對(duì)三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生不同甚至相反的效果。由此可知，起重機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種多目標(biāo)優(yōu)化，不可能同時(shí)達(dá)到各個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)結(jié)果，工程實(shí)際中，優(yōu)化都是根據(jù)實(shí)際需求，適當(dāng)降低一些目標(biāo)要求，而去達(dá)到最希望的目的。2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要依據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要依據(jù)一般為安全技術(shù)規(guī)范（TSG）、設(shè)計(jì)規(guī)范[9] 和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如果是定制產(chǎn)品，也要考慮雙方簽訂的技術(shù)協(xié)議中的特殊條款。起重機(jī)安全技術(shù)規(guī)范是強(qiáng)制要求，設(shè)計(jì)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是推薦性標(biāo)準(zhǔn)，但如果設(shè)計(jì)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)被安全技術(shù)規(guī)范引用，也成為強(qiáng)制要求，相應(yīng)的條款要求就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的約束條件和直接依據(jù)。起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和安全技術(shù)規(guī)范對(duì)于材料等級(jí)，明確要求主要受力結(jié)構(gòu)件的材料等級(jí)不低于Q235-B 和20# 鋼，且不能使用沸騰鋼，低溫使用環(huán)境對(duì)材料的沖擊韌性還有進(jìn)一步要求。結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的許用應(yīng)力值與載荷組合有關(guān)。載荷組合A 工況下，許用應(yīng)力[σ]=σs/1.48；載荷組合B 工況下，許用應(yīng)力[σ]=σs/1.34；載荷組合C 工況下，許用應(yīng)力[σ]=σs/1.16，σs 為材料屈服強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力值[σrt] 與應(yīng)力循環(huán)特性r 和基本值[σ-1] 有關(guān)，具體公式參見(jiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范[9]。結(jié)構(gòu)剛性可分為軸心受力構(gòu)件的剛性和起重機(jī)整機(jī)靜態(tài)剛性?xún)煞N要求。軸心受力的剛性用長(zhǎng)細(xì)比λ 來(lái)表達(dá)，受拉時(shí)許用長(zhǎng)細(xì)比[λ]=150 ～ 180，受壓時(shí)許用長(zhǎng)細(xì)比[λ]=120 ～ 150。對(duì)于整機(jī)靜態(tài)剛性，不同類(lèi)型起重機(jī)要求不同，以橋門(mén)式起重機(jī)為例，用跨中下?lián)蟜 表達(dá)整機(jī)靜態(tài)剛度，其與定位精度和跨度S 有關(guān)，低定位精度時(shí)，推薦f ≤ S/500，中等定位精度f(wàn) ≤ S/750，高定位精度f(wàn) ≤ S/1 000，懸臂端f ≤ L/350，L 為有效懸臂[9]。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，分整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性?xún)纱箢?lèi)要求，通常是優(yōu)化后對(duì)結(jié)構(gòu)的校核，驗(yàn)證是否滿足穩(wěn)定性要求。3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法舉例3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)象如圖1 所示，一種特殊的懸臂起重機(jī)，葫蘆起升機(jī)構(gòu)懸掛在懸臂兩個(gè)固定位置，額定起重量為2 t，最遠(yuǎn)處懸臂長(zhǎng)6 m，整體為箱形結(jié)構(gòu)，初次設(shè)計(jì)選用材料為12 mm 厚的Q345B 板材。圖1 固定吊點(diǎn)懸臂起重機(jī)3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程如圖2 所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)前需要收集原設(shè)計(jì)資料，了解產(chǎn)品使用要求，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的分析，提出一些優(yōu)化改進(jìn)的方向，并針對(duì)這些改進(jìn)方向進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合本次優(yōu)化的優(yōu)先目的，給出優(yōu)化的方案。組合不同優(yōu)化方案的最終設(shè)計(jì)，必須根據(jù)優(yōu)化依據(jù)，進(jìn)行全方位的校核計(jì)算。圖 2 綜合優(yōu)化流程2）剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析圖1 中固定吊點(diǎn)懸臂起重機(jī)立柱為壓彎構(gòu)件，懸臂為受彎構(gòu)件，立柱的長(zhǎng)細(xì)比遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求，可忽略構(gòu)件剛性要求。整機(jī)靜態(tài)剛度是考核吊點(diǎn)處（懸臂端部）的主梁下?lián)现?，?biāo)準(zhǔn)要求小于（1/250）·R，R 為有效半徑[10]。強(qiáng)度要求為保證結(jié)構(gòu)在最不利工況下的最大應(yīng)力值小于許用值。根據(jù)圖1 中懸臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，最大應(yīng)力值在立柱基礎(chǔ)處和懸臂的根部（A-A 和B-B 截面），標(biāo)準(zhǔn)要求此兩處的應(yīng)力值要小于σs/1.34 MPa；穩(wěn)定性要求分局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性?xún)煞矫嬉?。該懸臂起重機(jī)懸臂梁中心線以下部分和立柱中心線內(nèi)側(cè)部分屬于受壓區(qū)，抗失穩(wěn)的措施為設(shè)置加筋板。整體穩(wěn)定性對(duì)于箱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定梁的高寬比小于3即滿足要求。3）結(jié)構(gòu)形式、材料、尺寸分析原設(shè)計(jì)中懸臂梁的加筋板與上蓋板焊接，立柱中加筋板與外側(cè)蓋板焊接，經(jīng)上文分析可知，對(duì)于懸臂起重機(jī)，懸臂下蓋板和立柱內(nèi)側(cè)蓋板是受壓區(qū)，需要增加穩(wěn)定性。因此，立柱中筋板應(yīng)與內(nèi)側(cè)蓋板焊接，懸臂中筋板應(yīng)與下蓋板焊接。立柱和懸臂對(duì)基礎(chǔ)的變形有放大作用，立柱基礎(chǔ)變形對(duì)于吊點(diǎn)處懸臂梁的下?lián)嫌兄匾绊?，盡可能加強(qiáng)基礎(chǔ)的剛性。懸臂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是剛度比較差，剛度通常是設(shè)計(jì)的控制約束條件，在使用環(huán)境允許的條件下，增加一斜拉桿或壓桿，將會(huì)明顯提高結(jié)構(gòu)剛性。該懸臂起重機(jī)吊點(diǎn)是固定的，故在懸臂上部或下部增加桿件對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有干涉。在原設(shè)計(jì)中，整機(jī)結(jié)構(gòu)采用Q345B 材料制作。如上文分析，懸臂起重機(jī)的剛性是主要控制條件，而高強(qiáng)度鋼材對(duì)剛度沒(méi)有更多的益處，只是增加成本，因此主要受力構(gòu)件采用Q235B 即可。原設(shè)計(jì)中腹板12 mm 厚，箱形梁上下蓋板主要起抗彎作用，腹板主要起抗剪和增加橫向剛度作用。該懸臂起重機(jī)受彎矩作用大，剪力相對(duì)較小，且懸臂梁固定不動(dòng)，沒(méi)有橫向力作用，故考慮腹板厚度減小為6 mm。3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)上述分析，擬定了一些優(yōu)化方案：1）懸臂根部局部加支撐；2）增加斜撐；3）腹板厚度減小為6mm 并加增斜撐；4）腹板厚度減小為6 mm，腹板高度統(tǒng)一減小到小端并增加斜撐；5）懸臂采用Ⅰ 50b 工字鋼。為了分析各種優(yōu)化方案的效果及影響，進(jìn)行以下計(jì)算分析。采用有限元方法計(jì)算，工況為最不利工況，即吊點(diǎn)在懸臂最前端位置，起吊額定載荷2 t；邊界條件：立柱基礎(chǔ)位置固定所有自由度；單元Beam 188。計(jì)算結(jié)果如圖3 ～圖8 所示，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果匯總于表1。圖 3 原設(shè)計(jì)圖 4 懸臂根部局部加支撐圖 5 加斜撐圖 6 腹板厚度減小為6mm+ 斜撐圖 7 腹板減小為6 mm，懸臂等截面（小端）+ 斜撐圖 8 懸臂梁采用I50b 型鋼3.4 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算優(yōu)化結(jié)論依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求[9，10]，懸臂剛度f(wàn) ≤ 17 ～ 24 mm，強(qiáng)度[σ ] ≤ 175 MPa。原設(shè)計(jì)剛度剛好滿足要求，強(qiáng)度還有較大富余量。在各種優(yōu)化措施中，加斜撐對(duì)剛度提高最顯著；懸臂根部局部加強(qiáng)后，應(yīng)力集中較明顯，對(duì)剛度沒(méi)有益處；腹板減薄后對(duì)強(qiáng)度和剛度影響很??；原設(shè)計(jì)采用變截面設(shè)計(jì)不如采用斜撐方式有效和節(jié)省材料；對(duì)于此種固定式懸臂起重機(jī)，采用工字鋼和斜撐的組合方式最為簡(jiǎn)單有效。4 結(jié)論結(jié)構(gòu)優(yōu)化是綜合性問(wèn)題，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出一些改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)想，并通過(guò)計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，如有必要，還要進(jìn)行模型和實(shí)物測(cè)試。對(duì)計(jì)算和測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行綜合分析評(píng)估后，才能選定最合適的優(yōu)化方案。參考文獻(xiàn)[1] 宋佳雄，鄭新梅 . 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