基于可靠性分析的门机蒙皮结构系统优化设计

发布时间：2019-07-27 08:45

【摘要】：提出一种基于可靠性分析的蒙皮结构起重机优化设计方法。考虑蒙皮结构起重机设计中尺寸参数、材料性能及风载荷的随机性,采用Monte-Carlo法中的拉丁方抽样(LHS)技术计算结构系统的可靠度。通过概率敏感性分析确定优化设计变量,以蒙皮结构起重机金属结构系统总质量为目标,利用有限元分析软件Ansys进行优化设计,相对初始设计的蒙皮结构质量减少23.8%,整体可靠度得到有效利用,避免了局部可靠度富余,节约了制造成本。
【图文】：

程度，，但却避免了用Pr这种小数描述结构安全程度的方法，为工程应用提供了方便。目前较为适用的估计结构系统可靠度的计算方法有: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法用模拟的方法计算结构系统的失效概率，不需要考虑失效模式的相关性，所得结果十分接近精确值，通常作为结构可靠度的相对精确解［5］。2门机蒙皮结构系统可靠性分析以某额定起重量50t、跨度26m的无悬臂门式起重机为例，主梁采用蒙皮结构，支腿、上横梁及下横梁采用板式结构，其几何模型如图1所示，主梁结构如图2所示。新型蒙皮主梁结构主要采用薄壁箱形结构和桁架结构相结合的方式连接。图1蒙皮结构门式起重机几何模型Fig．1Geometricmodelfortheskinstructure图2中x1为腹板高度，x2为腹板内侧距离，A1、A2、A3、A4为蒙皮结构起重机主梁弦杆截面面积。斜撑杆为双向反对称布置，蒙皮蒙到桁架杆上。2.1随机参数确定结构设计中，由于制造原因或其它外部条件导致图2蒙皮主梁结构示意图Fig．2Schematicdiagramofskingirderstructuregantrycrane设计参数是一个随机变量。大量实践经验表明，尺寸参数、风载荷及材料特性等都可认为是服从正态分布的随机变量［6］。几何尺寸的均值μk取公称尺寸的均值，标准差取σk=0.1。风载荷以确定性计算值Ff为均值，变异系数Vf=0.193，则标准差σf=FfVf。材料特性参数按正态随机分布考虑。抗拉强度均值的推荐值为μ=1.1σb，变异系数Vc=0.05;材料弹性模量变异系数Ve=0.03。蒙皮主梁门式起重机结构可靠性分析共有33个设计变量，其中包括26个几何变量(分别为主梁截面、支腿上下截面，桁架结构参?

基于可靠性分析的门机蒙皮结构系统优化设计

180机械强度2016年点，对小车位于跨中和靠近支腿处两个工况进行分析。经过5000次抽样模拟计算，得到主梁应力、主梁静刚度和支腿应力都收敛，说明仿真次数足够多，应力和刚度曲线都趋于一个可靠的稳定值。门式起重机主梁应力和刚度分布情况如图3和图4所示，均很好地服从正态分布。类似地，其他构件的应力或刚度也服从正态分布。因此可按式(3)计算各个构件的可靠度指标。门式起重机结构系统可靠度计算结果如表2所示。图3主梁应力分布情况Fig．3Girderstressdistribution图4主梁静刚度分布情况Fig．4Girderstaticstiffnessdistribution表2可靠度计算结果Tab．2Thecalculationresultsofreliability平均值Average标准差Standarddeviation可靠度指标Reliabilityindexβ可靠度ReliabilityPr主梁跨中应力Girdemidspanstress87.07MPa8.877MPa10.931主梁跨中静刚度Girdermidspanstiffness15.22mm2.573mm5.911支腿应力Outriggerstress63.32MPa6.049MPa13.681由表2可以看出，原设计中主梁应力和刚度安全裕度过高，造成材料浪费，有必要对结构进行优化设计。3随机敏感性分析为提高后续优化设计的效率，需要进行设计变量的敏感性分析，筛选出优化设计变量，应用Ansys中的PDS模块进行概率敏感性分析得到结构参数灵敏度［7］。确定敏感性分析通常只是局部梯度信息，输入变量变换范围并没有考虑实际变化范围;而概率敏感性考虑了这种实际变化范围，测度了输出变量在多大程度上是由于随机输入变量的离散性带来的，所以概率敏感性更能准确反映设计参数对设计结果的影响程度［8］。分析结果如图5～图8所示。图5结构设计参数对主梁应力的敏感性Fig．5Sensitivityofdesignparameterstothegirderstress
【作者单位】：西南交通大学机械工程学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(51175442) 中央高校基本科研业务费专项资金(2010ZT03)资助~~
【分类号】：TH213.5

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