【摘要】：提出一種基于可靠性分析的蒙皮結(jié)構(gòu)起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法�？紤]蒙皮結(jié)構(gòu)起重機(jī)設(shè)計(jì)中尺寸參數(shù)、材料性能及風(fēng)載荷的隨機(jī)性,采用Monte-Carlo法中的拉丁方抽樣(LHS)技術(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度。通過概率敏感性分析確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,以蒙皮結(jié)構(gòu)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總質(zhì)量為目標(biāo),利用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),相對(duì)初始設(shè)計(jì)的蒙皮結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少23.8%,整體可靠度得到有效利用,避免了局部可靠度富余,節(jié)約了制造成本。
【圖文】：

程度，，但卻避免了用Pr這種小數(shù)描述結(jié)構(gòu)安全程度的方法，為工程應(yīng)用提供了方便。目前較為適用的估計(jì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的計(jì)算方法有:Ditlevsen界限法、高精度公式、PNET法、近似公式及蒙特卡洛(Monte-Carlo)法。Monte-Carlo法用模擬的方法計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率，不需要考慮失效模式的相關(guān)性，所得結(jié)果十分接近精確值，通常作為結(jié)構(gòu)可靠度的相對(duì)精確解［5］。2門機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析以某額定起重量50t、跨度26m的無懸臂門式起重機(jī)為例，主梁采用蒙皮結(jié)構(gòu)，支腿、上橫梁及下橫梁采用板式結(jié)構(gòu)，其幾何模型如圖1所示，主梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。新型蒙皮主梁結(jié)構(gòu)主要采用薄壁箱形結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式連接。圖1蒙皮結(jié)構(gòu)門式起重機(jī)幾何模型Fig．1Geometricmodelfortheskinstructure圖2中x1為腹板高度，x2為腹板內(nèi)側(cè)距離，A1、A2、A3、A4為蒙皮結(jié)構(gòu)起重機(jī)主梁弦桿截面面積。斜撐桿為雙向反對(duì)稱布置，蒙皮蒙到桁架桿上。2.1隨機(jī)參數(shù)確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于制造原因或其它外部條件導(dǎo)致圖2蒙皮主梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2Schematicdiagramofskingirderstructuregantrycrane設(shè)計(jì)參數(shù)是一個(gè)隨機(jī)變量。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，尺寸參數(shù)、風(fēng)載荷及材料特性等都可認(rèn)為是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量［6］。幾何尺寸的均值μk取公稱尺寸的均值，標(biāo)準(zhǔn)差取σk=0.1。風(fēng)載荷以確定性計(jì)算值Ff為均值，變異系數(shù)Vf=0.193，則標(biāo)準(zhǔn)差σf=FfVf。材料特性參數(shù)按正態(tài)隨機(jī)分布考慮。抗拉強(qiáng)度均值的推薦值為μ=1.1σb，變異系數(shù)Vc=0.05;材料彈性模量變異系數(shù)Ve=0.03。蒙皮主梁門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性分析共有33個(gè)設(shè)計(jì)變量，其中包括26個(gè)幾何變量(分別為主梁截面、支腿上下截面，桁架結(jié)構(gòu)參?

180機(jī)械強(qiáng)度2016年點(diǎn)，對(duì)小車位于跨中和靠近支腿處兩個(gè)工況進(jìn)行分析。經(jīng)過5000次抽樣模擬計(jì)算，得到主梁應(yīng)力、主梁靜剛度和支腿應(yīng)力都收斂，說明仿真次數(shù)足夠多，應(yīng)力和剛度曲線都趨于一個(gè)可靠的穩(wěn)定值。門式起重機(jī)主梁應(yīng)力和剛度分布情況如圖3和圖4所示，均很好地服從正態(tài)分布。類似地，其他構(gòu)件的應(yīng)力或剛度也服從正態(tài)分布。因此可按式(3)計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的可靠度指標(biāo)。門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度計(jì)算結(jié)果如表2所示。圖3主梁應(yīng)力分布情況Fig．3Girderstressdistribution圖4主梁靜剛度分布情況Fig．4Girderstaticstiffnessdistribution表2可靠度計(jì)算結(jié)果Tab．2Thecalculationresultsofreliability平均值A(chǔ)verage標(biāo)準(zhǔn)差Standarddeviation可靠度指標(biāo)Reliabilityindexβ可靠度ReliabilityPr主梁跨中應(yīng)力Girdemidspanstress87.07MPa8.877MPa10.931主梁跨中靜剛度Girdermidspanstiffness15.22mm2.573mm5.911支腿應(yīng)力Outriggerstress63.32MPa6.049MPa13.681由表2可以看出，原設(shè)計(jì)中主梁應(yīng)力和剛度安全裕度過高，造成材料浪費(fèi)，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3隨機(jī)敏感性分析為提高后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的敏感性分析，篩選出優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，應(yīng)用Ansys中的PDS模塊進(jìn)行概率敏感性分析得到結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度［7］。確定敏感性分析通常只是局部梯度信息，輸入變量變換范圍并沒有考慮實(shí)際變化范圍;而概率敏感性考慮了這種實(shí)際變化范圍，測(cè)度了輸出變量在多大程度上是由于隨機(jī)輸入變量的離散性帶來的，所以概率敏感性更能準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響程度［8］。分析結(jié)果如圖5～圖8所示。圖5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主梁應(yīng)力的敏感性Fig．5Sensitivityofdesignparameterstothegirderstress
【作者單位】： 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175442) 中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2010ZT03)資助~~
【分類號(hào)】：TH213.5

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