基于灵敏度的岸边集装箱起重机结构动态性能优化设计

基于灵敏度的岸边集装箱起重机

结构动态性能优化设计

林伟华　邓　锐

上海振华重工(集团)股份有限公司

　　摘　要:为提高岸边集装箱起重机的动态性能及经济性,分别以动态性能的结构自重为目标函数建立优化

数学模型,在对主要设计参数进行灵敏度分析的基础上,开展岸边集装箱起重机结构动态性能优化设计。

　　关键词:岸边集装箱起重机;灵敏度分析;动态性能;自振频率;优化设计

DynamicPerformanceOptimizationDesignofQuayside

ContainerCraneBasedonSensitivity

ShanghaiZhenhuaHeavyIndustriesCo.,Ltd.

LinWeihua　DengRui

　　Abstract:Toimprovethedynamicperformanceandeconomyofquaysidecontainercrane,inthispaper,optimized

mathematicalmodelswithstructuralself-weightofdynamicperformanceasobjectivefunctionareestablished.Onthebasisof

sensitivityanalysisofmaindesignparameters,structuraldynamicperformanceoptimizationdesignofquaysidecontainer

craneiscarriedout.

　　Keywords:quaysidecontainercrane;sensitivityanalysis;dynamicperformance;naturalfrequency;optimaldesign

1　引言

随着国际航运业的发展,集装箱运输船舶的不断增大,码头岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)也朝着大型化、高效率的方向不断升级发展。岸桥起升高度、外伸长度等参数的增大,使其自身重量也随之增加,导致岸桥刚度及动态性能急剧下降,加上搬运作业速度的提升,岸桥工作时容易出现振动问题,不但给岸桥结构安全带来隐患,同时也影响岸桥操作的舒适性及工作效率。

为此,在设计阶段对岸桥进行动态性能的评估与优化显得愈加重要。本文基于ANSYS有限元软件分析大型岸桥整机结构的动态性能,并进行优化设计,在提升岸桥动态性能的同时减少岸桥的设计重量,提升其可靠性及经济性。

个岸桥的基本结构简图见图1,主要由海陆侧门框、联系横梁、门框撑管、前大梁、后大梁、拉杆系统等组成。

1.海侧门框　2.陆侧门框　3.联系横梁　4.门框撑管　5.前大梁　6.后大梁　7.拉杆系统

2　岸桥结构有限元分析

2.1　岸桥结构和基本参数2.1.1　岸桥结构10

图1　岸桥结构简图

2.1.2　基本参数

以上海振华重工某型岸桥为例进行分析。整

起升小车总重25t,起升吊具重18t。起重机尺寸主

该岸桥主材采用Q345钢,起升额定载荷65t,

要参数见表1。

表1　岸桥主参数

参数名数值轨距/m30后伸距/m15前伸距/m52起升高度/m38额定载荷/t

65

2.1.3　本次建模采用有限元模型

Beam44Beam44和Link8一维单元建立。

压、弯曲及扭转功能单元基于欧拉,用来模拟岸桥门框-伯努利梁理论,具有轴向拉、撑管、联系梁和前后大梁部分;Link8为杆单元,只能承受轴向拉压不能承受弯矩,用来模拟岸桥拉杆系统。构建的岸桥有限元模型见图2。

图2　岸桥有限元模型

2.2　岸桥结构刚度分析

岸桥作业时,主要包括荷重物的起吊工况以及起升小车带荷载的运行工况。其中,小车带载启制动时的水平惯性载荷最容易激励引起岸桥的振动。因此,主要研究岸桥在小车方向的动态性能,并从控制岸桥小车方向的静态刚度和提升自振频率(动刚度2.)2.这1　2个方面进行改善。通过控制小车水平惯性载荷作用下的静态位移小车方向静刚度

减小振动幅值。小车水平惯性载荷PPH为:

H=Φma

式中,a为启动、制动加速度;m为小车及吊载等效

载荷之和;Φ为启制动载荷变化时的动力系数,根据欧洲起重机设计规范2.2.2　,取Φ=2。通过提升岸桥小车方向自振频率小车方向动刚度

f降低振动周期3,3　阶频率提升操作舒适性,根据使用经验。岸桥小车方向的频率通常为第,通常设计要求大于0.7Hz。

3.1　岸桥结构动态优化设计

岸桥结构动态优化模型

通用优化问题可归纳为:在满足一定约束条件

港口装卸　2019年第5期(总第248期)

下,运用某种优化方法和工具,选取恰当的设计变量,使目标函数达到极值。其数学模型可表达为:

ìïïMin　F(x)=(x1,x2,…,xníïFind　X=(xï1,x3T

)

　îS.tgi(X)=g(x,2,…,x,…,xn)x)∈≤R0数　i12n

。优化模型包括设计变量将岸桥的重量、静态变形、、状态变量以及目标函自振频率等参数作为模型的目标或约束条件进行优化,使该型岸桥在最3.轻的重量下获得较好动态性能1.1　设计变量

。

设计变量的确定是岸桥结构参数化的过程。由

于岸桥门框联系梁以下部分是门架结构,其小车方向的刚度较差,对岸桥小车方向的动态性能影响较大,因此,选取门框撑管布置点距离S和联系横梁截面等5个参数(见图3、图4)用于优化设计。设计变量见表2。

图3　门框撑管位置距离参数S

图4　联系横梁截面参数示意图

表2　设计变量

设计变量S/原设计取值下限

取值上限HD/mm/mmmm212500016000153000E/mm

83.1.2　约束条件(8

状态变量)

8

3000030

岸桥结构动态优化设计的主要约束条件有静态变形约束条件和自振频率约束条件(1)静态变形约束条件。常见的岸桥技术规格

。

中规定小车惯性载荷mm,因此约束函数PH下的静态位移g(X)设为:

Ux通常不超过20111

PortOperation　2019.No.5(SerialNo.248)

　g1(X)=Ux≤20

桥第　(2)3阶自振频率约束函数自振频率约束条件。根据2.2.2所述,岸3.1.3　目标函数

f≥gg22(X)=0(.X7

)设为:

(优化设计目标函数分别采用岸桥联系横梁重量

最大为目标用截面积代替。目标函数分别为)最小为目标,和岸桥结构自振频率(X)==A:

F1HB3.2　参数灵敏度分析

F2(X)f

灵敏度分析是指结构设计变量的改变对目标函数(结构重量及结构自振频率)变化的敏感程度,一阶灵敏度可表示为[1-2]:

S=

∂F(x)式中,xi为第i个设计变量∂。

xi

为提高优化设计效率,减少各变量之间的干扰,对设计参数对目标函数的灵敏度以及变化趋势进行3.初步的筛选与比较2.1　采用设计变量局部灵敏度。

(ANSYS中的梯度工具来搜寻设计域

个设计变量值DV),用一个指定设计作为参考点(DV),查看其对状态变量,并稍微改变每(SV)和目标函数(OBJ)的斜率,以决定局部灵敏度来探测设计空间(参数S不影响联系梁重量,且微小变化对频率影响不大,因此在全局灵敏度中进行分析)。图5和图6分别为岸桥频率和联系梁重量基于各设计变量±1%的波动而改变的输出图。从图中可以看出H、D、E对状态变量的影响斜率都很大;H对目标函数的影响斜率相对较大;D、E对目标函数的影响斜率相对较小。

图5　设计变量对频率灵敏度曲线图

3.2.2　采用设计变量全局灵敏度12

ANSYS中的扫描工具来搜寻设计域

图6　设计变量对重量灵敏度曲线

(化DV,查看其对状态变量),通过将设计变量((SVDV)和目标函数)在取值空间内连续变(OBJ)的影7响趋势,以探测其在设计空间中的全局灵敏度。图

数独立变化的趋势和图8分别为岸桥频率和联系梁重量随各设计参,从图中可以看出S对频率的影响呈抛物线,E对频率的影响斜率相对较小,H对重量的的影响斜率相对较小。

图7　设计变量对频率全局变化趋势

图8　设计变量对重量全局变化趋势

通过全局与局部的灵敏度分析,表2中所列参

数均应作为下一步优化求解中的设计变量3.3　优化求解

。采用零阶优化算法,按表2中的范围对设计变量(DV)进行优化,然后根据优化结果不断调整设计变量的上下限值,逼近求得最优解。表3记录了以

港口装卸　2019年第5期(总第248期)

频率为目标函数的优化结果。

3000,8≤D≤30,8≤E≤30。表3中显示∗3为一次优化的最优解。根据图7和图8的趋势和第一次优化的结果,缩小参数变量的范围。

一级优化空间:0≤S≤15000,1600≤H≤

的最优解。优化结果表明设计变量的优化可行解的区间范围进一步缩小。

3000,8≤D≤10,8≤E≤10。表3中显示∗18为一次优化的最优解。∗18和∗10的结果基本趋于一致,推出优化求解。选择∗18作为以频率为目标函数的最终优化结果。

(DV)S/mm0

(DV)H/mm2500

三级优化空间:3000≤S≤4000,2500≤H≤

8≤D≤12,8≤E≤12。表3中显示∗10为一次优化

迭代次数

1∗345

二次优化

678∗10111213

三次优化

141516∗181792

(OBJ)f/Hz0.7110.7240.7270.7180.7220.7350.7380.7410.7450.7460.7360.7160.7440.7450.7460.7460.730.73

(SV)Ux/mm8.488.258.438.438.0980.37.967.887.868.158.048.148.427.917.897.867.868.2

二级优化空间:0≤S≤7000,2500≤H≤3000,

表3　以频率为目标函数的优化迭代结果

(SV)AHB

一次优化

/mm29232088665

89802

24.064866.3

83777

25.72

2870.22915.82701.7

(DV)D/mm129.8510.338.658.148.189.519.978.779.699.588.699.269.649.89

9.8

(DV)E/mm88.038.048.458.389.449.549.468.478.149.389.168.228.38.388.088

90339

92285

6382.64860.5

2535

9.39

92012

92217

4468.1

2892.12963.1

92247

3791.5

92275

3558.4

2989.3

89478

3511.2

87254

3847.2

2998.6

2977

90549

3537.6

2728.62660.1

79609

3469.1

2809

90112

3695.1

91806

3529.7

91643

3868.2

2994.7

2535

　　以重量为目标函数的重复上述操作步骤获得最终优化解。根据设计的实际要求,将2次优化的结果数据圆整后列于表4。

91587

3247.7

2997.92998.8

岸桥的自振频率为0.736Hz,提高约3.5%,联系梁重量减少11%。以岸桥自振频率为目标函数优化后的方案,岸桥的自振频率为0.746Hz,在联系梁

3508.8

2998.9

9.97

以岸桥联系梁重量为目标函数优化后的方案,

f/Hz

Ux

AHB

重量保持基本不变的情况下提高约5%。

S/mm3670

表4　最终优化结果

目标函数原设计重量频率

/mm8.58.17.86

/mm2

0.7110.7360.746

923208760091600

02500

H/mm

D/mm1210

参考文献

E/mm888

3510

29503000

8

4　结语

经比较,以岸桥联系梁重量为目标函数优化后的方案,在岸桥自振频率较优的情况下有更轻的重量,综合性能更好。

3.5%,联系横梁重量减少11%,在提升岸桥动态性能的同时减轻了重量,达到了优化设计的目的。

最终优化方案较原设计方案自振频率提高

[1]　荣见华,郑健龙,徐飞鸿.结构动力修改及优化设计[2]　廖伯瑜,周新民,尹志宏.现代机械动力学及其工程应

用[M].北京:机械工业出版社,2003:110-130.

[M].北京:人民交通出版社,2002:13-25.

林伟华:200125,上海市浦东新区东方路3261号收稿日期:2019-08-21

DOI:10.3963/j.issn.1000-8969.2019.05.003

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