40.5吨岸边集装箱装卸桥结构优化设计

40.5吨岸边集装箱装卸桥结构优化设计

张氢1孙国正2卢耀祖1

1 同济大学机械学院机械系上海200092

2 武汉交通科技大学机械与材料学院武汉430063

摘要：本文介绍了利用APDL语言进行40.5吨港口集装箱岸桥结构优化设计的方法。

优化的目标函数为结构自重最轻，约束函数中包括了多个工况，不但具有强度和静刚

度约束，而且还包括对结构三个固有频率的约束。优化计算过程和结果可供相关人员

参考。

关键词：装卸桥；金属结构；优化设计；有限元分析

0 概况

随着航运的集装箱化，岸边集装箱装卸桥(岸桥)在整个集装箱装卸工艺中起着越来越重要的作用。由于集装箱岸桥工作跨度大，装卸速度很高，使得这类机械的自重非常大而刚度却较差。为了降低制造成本、提高产品性能，并降低码头负荷，迫切需要对装卸桥进行优化设计。

从结构上说，岸桥可以视为空间杆梁混合结构，利用有限元分析技术对其整机结构进行分析计算并不困难。但由于它是复杂的超静定空间结构，使得设计人员根据实际需要确定各构件尺寸，从而调整整机应力分布和各部分刚度非常困难，尤其当对装卸桥整体有动刚度要求时更不易着手。以往由于缺乏高可靠性易于使用的商业化结构优化软件，实际设计中对其进行优化设计一直较困难。

本文主要讨论利用ANSYS进行装卸桥结构优化。优化计算包括了两种静力分析工况及对装卸桥动态特性工况的约束要求，优化目标为整机结构自重最轻。结合ANSYS所提供的优化方法及APDL语言所具有的较强的参数化分析功能，从而较好地实现了装卸桥的优化设计。通过参数化，可以实现对相同拓扑形状、不同设计参数的装卸桥进行优化设计，这对于时效性较强、不可能对大量方案进行人工评价的投标设计尤其重要。

1 集装箱岸桥优化模型

1.1 集装箱岸桥的有限元分析模型

为了反映集装箱岸桥结构总体的受载情况，采用梁单元和杆单元的混合结构模拟该机的整机结构。实践也表明采用杆、梁混合结构能够较好地反映结构整体的振动及位移情况。40.5t 集装箱岸桥的整机有限元分析模型见图1所示。该装卸桥的主要设计参数是：额定起重量40.5吨，集装箱提升速度为50m/min，小车运行速度160m/min，轨距26m，跨距17.1m，小车轨道高度36.5m，前伸距为44m，后伸距为14m。

该模型的基本情况如下：①节点数：58;②单元数：74;③单元种类：2，分别为BEAM4和LINK8;④单元自由度耦合集：44。在模型中，装卸桥的前拉杆是铰接结构以便其前桥上下俯仰。如果忽略拉杆的自重(与其受力相比很小)则可以被视为二力杆，因此在实际模型中

用杆单元模拟。结构中其余结构件均用梁单元以反映所承受的弯矩。由于装卸桥是可以俯仰的，因此其前桥与后桥是用铰接结构连接的。为了较好地模拟梁单元间的铰接关系，在此采用了ANSYS 所提供自由度耦合(DOF Couples)功能。同样前、后桥都分别固定连接到岸桥的海侧和陆侧门框上。

图1 40.5t 岸边集装箱装卸桥有限元分析模型

1.2 计算工况及相应载荷

1.2.1 计算工况：

整机分析的工况分为三种见表1。

表1 计算工况说明

序号

小车位置 有无动载 1

满载，位于最大前伸距(最大幅度) 有 2

满载，位于最大后伸距 有 3 整机结构动态分析，计算整机前10阶振动的固有频率及振型

前两种工况是为了得到结构各部件及关键控制点在不同载荷下可能出现的最大应力与位移，第三工况则计算岸桥结构的动态特性。

1.2.2 相应载荷的计算

(1) 自重载荷：在材料特性中已经给出了材料的密度，由结构的体积可以计算出结构质量。沿与重力相反的方向施加重力加速度，由达朗伯原理就得到结构的自重载荷。

(2) 小车及集装箱吊具的自重载荷通过小车轮作用在小车的轨道上。每个小车的轮压载荷相同。

(3) 动载荷：根据《起重机设计规范》，取动载系数ϕ=1.583。

(4) 岸桥所装卸的集装箱重量也通过小车轮作用在小车的轨道上。

1.3 优化模型

以自重最轻为目标函数的结构优化问题可以用下面的数学模型来描述：

min )(x W s.t.: i i x g δ≤)(或m i x g x c i i i ,...,2,1,0)()(=≤-=δ

其中{}T n x x x x ,...,,21=称为设计变量(DV)。)(x W 是优化设计所追求的目标，称为优化模

型的目标函数，而)(x c i 称为优化模型的约束函数。在ANSYS 中称)(x g i 为状态变量(SV),

它是构成约束函数的基础，而

则为状态变量的上下极限值。根据设计要求，状态变量可

i

以是某点的应力或位移，也可能是整个结构固有频率值。ANSYS设计优化是寻求最佳设计的一种技术。几乎能用参数表示的ANSYS分析项都可以进行优化。按照以上的抽象模型形式，岸桥优化模型构造如下：

1、目标函数：结构的自重。当完成一轮优化迭代后，结构自重可以在后处理器中通过建立单元体积表，然后通过求出单元总体积算出结构自重。步骤如下：

Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table，选择Elem V olume VOLU项Main Menu>General Postproc>Element Table>Sum of Each Item (SSUM)

Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data

由于装卸桥上除了结构自重以外的其余重量如机房、机构重量等不随着设计变量发生变化，优化过程中不予以考虑。计算梁、杆单元实常数时并没有考虑为保证腹板和翼缘板的局部刚度而加设的横隔板及纵筋，更没有考虑梯子栏杆等附加重量，如果不设法弥补，结构的总计算重量将与实际有较大的出入。为简化优化计算，通过适当放大材料密度予以考虑。

2、设计变量：选择各构件截面尺寸作为需进行设计的对象，符合ANSYS中设计变量为正数的规定。岸桥由于组成构件较多因而尺寸较多，必须尽量减少设计变量。太多的设计变量增加了收敛到局部极小而非全局最小值的概率，甚至当模型高度非线性时迭代会发生震荡。当然过多的设计变量也意味着更多的迭代和计算时间。

在ANSYS中减少设计变量的一个手段是变量关联。互相有联系的非独立尺寸可以按某个比例关系确定。装卸桥的结构各构件为了方便制造，都是等外形尺寸的，然后根据其不同部位的受力情况改变板件的厚度，从而调整其截面积、惯性矩；另外杆件相互连接的尺寸也是相同的，其关联比例为1。板件的厚度值是离散的，为方便优化及减少优化设计变量，可以先确定每个构件的典型板厚，而以外形尺寸作为设计变量，从而避免无意义的板厚尺寸。通过上述处理，设计变量总计20个，均为岸桥截面尺寸。

此外，必须为每个设计变量确定合理的上下界。约束太松固然不行，约束太紧甚至会导致无法找到可行解。

3、状态变量及约束函数：

为了得到尽可能符合实际需要的设计，必须选择足够多的状态变量。但为了减小问题的规模从而加快优化进程，必须消除不必要或冗余的状态变量。同样也必须确定合理的状态变量上下界。

1) 强度状态变量及约束：限制各杆件最大应力。先对原始设计进行有限元分析，并得到每种工况下的最大拉应力和单元i、j节点的最大、最小四种合成应力，然后以典型杆件的应力作为强度约束。有关强度的状态变量提取方法如下：

将每个工况写成载荷步文件(LS)，然后调用Solution>Solve>From LS Files顺序求解这些工况。进入后处理，先选择相应的载荷数据库，然后读出构件应力并建立单元数据表。

Main Menu>General Postproc>Read Results-By Set Number

Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table，By Sequence Num，选择LS,1项和NMIS1~4。

Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data，根据实际情况选择相应工况下，所需的单元应力值。

集装箱岸桥用Q235钢制造，根据构件不同位置，限定其最大应力不得超过90MPa和100MPa，从而构成完整的强度约束。

2) 静刚度状态变量及约束：

Main Menu>General Postproc>Element Table>Define Table，DOF solution-Translation