起重机生命周期载荷谱预测及基于疲劳寿命的结构优化设计.pdf

第 30 卷第 3 期2023 年 6 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.3Jun.2023起重机生命周期载荷谱预测及基于疲劳寿命的结构优化设计戚其松，李成刚，董青，陈钰浩，徐航（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）摘 要：起重机在服役期间长期承受具有不同特征的交变载荷的作用，其结构因疲劳而导致承载能力下降。为了研究在实际工作过程中载荷及应力变化对起重机结构疲劳寿命的影响，首先，利用神经网络对起重机在服役期间的载荷谱进行分析，准确预测其载荷特征，并结合预测的载荷谱及其结构承载特性分析起重机在服役期间的应力时间历程；其次，利用Miner线性损伤累积理论和线弹性断裂力学法，预测起重机结构关键部位的疲劳寿命；最后，以起重机结构关键部位的疲劳寿命及结构承载能力为约束，建立考虑起重机服役期间载荷特征的优化设计模型，采用智能优化算法在全局范围内搜索最优设计变量组合，获取满足疲劳寿命和承载能力设计要求的起重机结构最佳设计参数。研究结果表明了结构疲劳寿命计算与智能优化算法相结合的方法在起重机结构优化设计中的可行性，为起重机结构的轻量化设计提供了全新的思路。关键词：起重机；生命周期；疲劳寿命；优化设计中图分类号：TH 215；TP 18 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）03-0380-10Prediction of load spectrum for crane life cycle and structural optimal design based on fatigue lifeQI Qisong,LI Chenggang,DONG Qing,CHEN Yuhao,XU Hang(School of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract：Crane has been subjected to alternating loads with different characteristics for a long time during service,resulting in a decrease in load-bearing capacity due to structure fatigue.In order to study the impact of load and stress changes on the fatigue life of crane structure during actual work,firstly,a neural network was used to analyze the load spectrum of crane during service and accurately predict the load characteristics,and the stress-time history of the crane during service was analyzed by combining the accurately predicted load spectrum and structural bearing characteristics;secondly,Miners linear damage accumulation theory and linear elastic fracture mechanics method were used to predict the fatigue life of the key parts of the crane structure;finally,with the fatigue life and structural bearing capacity of the key parts of the crane structure as constraints,an optimization design model considering the load characteristics of the crane during service was established.Intelligent optimization algorithm was used to search for the optimum design variable combination globally to obtain the optimum design parameters of the crane structure that met the design requirements of fatigue life and bearing capacity.The research results showed the feasibility of the method combining the calculation of structural fatigue life with intelligent optimization algorithm in the optimization design of crane structure,providing a new doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.019收稿日期：20220614 修订日期：20220811本刊网址在线期刊：http:/ 3 期戚其松，等：起重机生命周期载荷谱预测及基于疲劳寿命的结构优化设计approach for the lightweight design of crane structure.Key words：crane;life cycle;fatigue life;optimal design绿色设计是一种基于生命周期的理念，综合考虑资源效率与环境影响相协调的现代化设计方法。在机械产品的绿色设计方面，国内外研究人员多关注车间调度优化1、产品轻量化2、绿色包装3、模块化设计4等，对产品的多角度融合研究还较少。起重机是大型机械设备，金属结构是其承载主体，结构设计的优劣直接关系着起重机的承载性能和使用安全性。针对起重机结构设计中存在的不足，许多学者进行了系列化研究。如：杨瑞刚等5通过建立基于凸模型的随机模糊混合可靠性模型，并考虑材料强度与计算应力之间的相关性，计算了起重机主梁结构的强度混合模型的可靠度；李军等6分析了起重机主梁质量与主梁横截面面积之间的关系，建立了主梁结构的数学模型，并结合遗传算法和引力搜索算法对主梁结构进行优化，以实现起重机的轻量化；焦洪宇等7建立了桥式起重机主梁的周期性拓扑优化数学模型，在主梁强度和静态准则下开展主梁周期性拓扑优化；Sun等8为了解决起重机混合变量的优化问题，提出采用基于可行性规则的改进粒子群优化（modified particle swarm optimization,MPSO）算法对主梁结构进行优化，从而使主梁自重最小化。起重机发生损坏的诱因通常是疲劳裂纹扩展，对起重机寿命进行研究也是非常必要的。渠晓刚等9-10通过构建不同的起重机损伤模型，对起重机结构进行疲劳寿命预测；范小宁等11-12采用计算机技术对起重机结构应力进行了分析，对起重机的疲劳寿命进行了预测；Dong等13针对轨道缺陷引起的垂直冲击效应所导致的疲劳危险点应力变化问题，提出了基于轨道缺陷模型的铸造起重机疲劳寿命预测方法。在传统的起重机疲劳寿命计算中，常常仅采用起重机在某工作周期中的载荷统计数据，而对其全生命周期鲜有关注，事实上学者们在许多领域已经开展了针对全生命周期的研究。如：Wang等14基于 LCA（life cycle assessment，生命周期评估）方法，针对涵盖煤炭开采、洗选和运输阶段的生命周期构建了燃煤发电的LCA指标体系，采用相关成本理论计算了燃煤发电所需的外部环境成本；徐建全等15建立了汽车轻量化全生命周期综合效益动态评价模型，对汽车轻量化的综合效益进行了量化分析，并提供了节能减排的思路；张旭辉等16-18构建了采煤机、桥式起重机、岸桥起重机的全生命周期绿色评价方法，提供了设备绿色优化设计的方向；顾复等19针对产品生命周期评价中数据获取、评价和维护难的问题，提出了透明、公平的产品生命周期评价方法。在利用优化算法对起重机结构进行设计时，通常以强度、刚度、稳定性作为约束条件，设计余量较大，而在预测疲劳寿命时对载荷谱的获取不够全面，导致疲劳寿命的预测结果与真实情况存在偏差。因此，在起重机主梁结构的优化中应考虑结构的疲劳强度和疲劳寿命，兼顾起重机的工作安全及绿色节能。本文以通用桥式起重机结构为研究对象，根据起重机结构在某工作周期中的载荷统计数据，采用神经网络对起重机生命周期的载荷谱进行繁化和预测，并根据载荷谱预测起重机生命周期的应力历程，以准确判断起重机结构在生命周期中的疲劳承载能力；采用Miner线性损伤累计理论和线弹性断裂力学的相关方法，预测起重机结构的疲劳寿命，并开展基于疲劳寿命的起重机结构优化。本研究旨在为起重机结构优化提供新思路，同时为起重机全生命周期的绿色评价和最优绿色设计提供方法。1 起重机结构的设计模型 以通用桥式起重机结构为研究对象。通用桥式起重机如图1所示。起重机结构的承载能力是起重机疲劳承载能力分析和疲劳寿命计算的基础。采用GB/T 38112008起重机设计规范规定的许用应力法对起重机结构进行承载能力分析，验证其强度、刚度和稳定性指标。1.1设计参数该起重机的设计参数如表1所示，这些参数是起重机结构设计中不可或缺的基础参数。起重机主梁采用由钢板焊接而成的箱型梁，主梁截面参数及其示意如表2所示。根据主梁截面参数可计算出主梁截面面积及截面惯性矩。图1通用桥式起重机示意图Fig.1Schematic diagram of universal overhead crane 381工程设计学报第 30 卷 1.2结构力学模型及内力计算根据起重机的结构特征及载荷状态，对起重机结构的承载能力进行分析，计算其在不同工况下的强度和刚度。起重机在工作状态下承受垂直方向的载荷和水平方向的惯性载荷。水平方向的载荷相对于垂直方向的载荷对结构的影响很小，因此在分析起重机结构承载能力和应力状态时忽略水平方向载荷的影响。起重机结构在不同工况下的力学模型和内力计算公式如表3所示。q=1PG(1)式中：1起升冲击系数；PG结构自重载荷，N。当起重机起吊有效载荷而离开地面，或悬吊在空中的有效载荷突然卸载及下降制动时，起重机受到振动激励而产生自重增大或减小的动力响应。为了反映振动脉冲响应范围的上下限，令1=1，00.1。根据文献21并结合起重机结构的强度计算特征，在工况1和工况2下取1=1.1，在工况3和工况4下取1=0.9。起重机主梁为等截面梁，则：PG=Azg(2)式中：钢材密度，=7 850 kg/m3；g重力加速度，g=9.8 N/kg。Fm=2Pm(3)式中：2起升动载系数。当起吊的物品无约束地起升离开地面时，物品的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的效果，用2表示载荷增大的程度。本算例中取2=1.29。表3中列出了主梁跨中截面和跨端截面内力计算公式。计算结构危险点的疲劳强度和疲劳寿命时须确定结构应力的变化幅值，因此分别确定了主梁跨中截面和跨端截面相同危险点受到最大应力和最小应力的工况。1.3结构校核根据起重机结构在各工况下的内力计算结果，确定在各内力影响下结构的受力情况，并根据实际情况对作用于同一计算点的应力进行合理组合。相关应力计算公式及计算结果如表4所示。其中：跨中截面最大应力和最小应力的工况分别对应于表3中的工况1和工况3；跨端截面最大应力和最小应力的工况分别对应于表3中的工况2和工况4；跨中截面、跨端截面计算点的位