-
结构优化设计是20世纪60年代发展起来设计方法，在当时较过去传统的设计方法是一门新的设计方法，它是随着计算机的发展，有限单元法的广泛应而发展起来的。计算机的大量高速运算能力是优化设计的实现工具，数学规划理论及方法是其理论基础[6]。计算机技术的发展和数学理论及方法的研究促使优化设计以及改进快速的完成。近年来，优化设计理论的研究取得了更高层次的发展，对于给定结构几何形状、拓扑结构和材料的前提下，只有构件的截面可变问题的优化设计已经基本成熟[7]。10097
- 上一篇：割草机器人研究现状和发展趋势
- 下一篇：串联侵彻战斗部的研究现状
目前，有限元方法是结构分析、优化设计最为主流、有效的方法。在对桥式起重机桥架结构进行分析时,利用有限元分析方法建立桥架的有限元模型,并按实际的载荷分布进行加载、求解,就能得到实际的承载状况。具有快捷、方便、求解结果相对准确的优点[8]。
C.Alkin,C.E.Imrak,H.Kocabas在对某桥式起重机主梁的实体建模和有限元分析中，通过Cosmosworks 和MSC commercial package进行有限元建模，运用了有限元软件Patran，以四面体单元和四边形壳体单元进行单元划分完成对桥式起重机桥架的建模。通过比较传统的有限元分析计算和现有起重机的数据，发现四边形壳体单元的分析能得到最逼近的结果[9]。
薛继忠等利用有限元分析软件ANSYS对桥式起重机桥架结构在多种载荷组合工况下进行了三文有限元分析，得到了桥架结构的承载应力大小及其分布状况,其结果与传统力学计算方法结果一致。它的结果略有偏大(误差在5%左右) ,考虑到有限元模型建立时所作的一些必要的简化和传统力学计算本身的近似性,可以认为所建立的有限元模型是可信的,其求解结果也是科学、可靠的[10]。
同样基于有限元软件ANSYS，秦东晨考虑在主梁中部开细长矩形孔，但考虑细长孔容易引起应力集中，尝试在腹板上两大隔板中间开矩形孔。在满足孔约束条件下，选择长×宽 = 0.9 m×0.5 m，在两大隔板中间开孔，经检验，达到减轻主梁自重的目的[11]。关于在桥式起重机主梁的腹板上开孔这一问题，闫利利等在其文章中进行了专门的研究，通过详细论述基于 ANSYS 的拓扑优化实现过程，分析结果显示，采用空腹式箱形梁，对起重机强度和刚度影响不大[12]。
优化方法除了利用常用的ANSYS软件外，还有Patran/Nastran。Nastran 优化设计的基本特征包括: 简便易行的设计综合能力；灵活的设计模型再现能力；对任何规模的问题进行高效求解，具有可靠的收敛性。二者虽然在国外得到了普遍的应用, 但在国内应用还不多。王迎佳等这方面做了有益的尝试，使用MSC.Patran/ Nastran 进行了起重机主梁设计。他们在研究中发现，最大应力出现在主梁端部各板材的焊接处, 由应力集中引起, 最大挠度出现在主梁中段。而应力的分布有明显的改善, 主梁的承载能力得到了更加充分的利用[13]。
在Patran/Nastran中结构优化的方法多采用Homogenization方法,优化的对象是梁的板厚, 高度和宽度, 这种算法对梁中间的加强筋板的位置和数量没有作多大的改变, 虽然对于整个箱形梁结构来说, 加强筋板的重量所占比例不大, 但还是有优化的必要的。杨梦琳等在他们的研究中，针对主梁内部的加强筋板的优化，运用了改进的MMA 算法程序。它可以使筋板的分布更加合理[14]。
近几年有学者将免疫遗传算法引入到工程优化设计中。免疫算法的思想来自模拟人体的免疫系统。免疫系统通过一套复杂的机制来重组基因, 以产生抗体对付入侵的抗原, 达到消灭抗原的目的。为了有效地提供防御功能, 免疫系统必须进行模式识别, 把自身的分子和细胞与抗原区分开来。免疫算法模仿了人体的免疫系统, 并从细胞理论和网络理论中得到启发, 实现了类似于免疫系统的自我调节能力和生成不同抗体的功能[15]。遗传算法( GA) 是一种启发式蒙特卡洛反演方法, 最早由美国Michigan 大学的JohnHolland 教授提出, 通过模拟自然界中的生命进化过程, 有指导性地进行非盲目地随机搜索, 适用于在人工系统中解决复杂特定目标的非线性反演问题。许多学者将遗传算法应用于函数优化问题的研究, 研究表明遗传算法是一种有效的方法。但对于大型复杂系统,尤其是非线性系统优化问题的求解, 遗传算法仍有许多缺陷, 如无法保证收敛到全局最优解、群体中最好的染色体丢失和进化过程中过早收敛等[16]。