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致 谢 37
参考文献 381
1 引言
近年来，随着我国经济建设力度不断加大，各式各样的建筑物拔地而起，起重机械的利用率不断增高。而能源是战略资源,是社会全面发展的重要物质基础[1]。节约能源是解决能源和环境问题的根本措施,是提高经济增长质量和效益的重要途径，是增强企业竞争力的必然要求。起重机械是国民经济建设的重要设备,随着社会的发展其使用数量也在不断增长[2]。为了推动全社会节约能源，提高能源利用效率，保护和改善环境，促进经济社会全面协调可持续发展，我过还制定了《中华人民共和国节约能源法》。
能源资源的开发利用促进了世界的发展,同时也带来了严重的生态环境问题[3]。为此，在国家质量监督检验检疫总局的网站及各地发布的信息上我们看到，各地的国家城市能源计量中心相继成立[4]。
众所周知，起重机械是一种用来对物料起重、运输、装卸等作业的机械设备，是现代化生产中必不可少的辅助工具和生产设备，其在国民经济各部门都有相当广泛的应用，在现代化生产中也占有重要地位。起重运输机械对提高生产力、降低生产成本、保证产品质量、减轻劳动强度、提高运输效率、加快流通等方面均有重要的影响[5]。科学技术的飞速发展，推动了现代设计和制造能力的提高，激烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争，这些都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段。在起重机的使用过程中，经常出现这样活那样的问题，比如主梁严重下挠,或者“啃”轨等现象[6]。如果我们对起重机械进行轻量化设计，可以为我国的能源节约做一定的贡献。
1.1国内外研究现状
1.1.1国外研究现状
1.1.2国内研究现状
1.2 研究目的与内容
1.2.1 研究目的
为满足各种情况的需求，人们对起重机的各种性能要求将不断改变，起重机金属结构自重是衡量起重机产品绩效的重要经济指标，在保证其可靠运行的前提下，尽量减轻起重机的自重，有利于制造厂商降低生产成本，提高市场竞争力。起重机的结构的轻量化设计也会受到越来越多的关注。为了给研发设计人员提供更好的设计思路和解决方案，本论文将对桥式起重机的主梁优化设计进行深入研究，结合CAD及CAE技术对主梁进行轻量化设计。
1.2.2研究内容
1）桥式起重机桥架几何模型和有限元模型的建立。
2）对桥架进行有限元分析计算。
3）桥式起重机主梁拓扑优化设计。
1.3课题研究技术路线
1.3.1总体研究方案
论文研究来源于江苏省质量监督检验局科技项目“起重机节能设计技术研究”。项目以节能设计为目标根据有限元为基础的结构优化设计，提供全面的拓扑，形貌，形状，尺寸等优化设计解决方案，同时引入制造工艺约束。优化是将结构保持在原有刚度的情况下，减轻质量，同时消除局部应力。 项目研究内容如图1.3.1所示。
图1.3.1优化设计研究内容
本论文重点针对上述研究内容中的拓扑优化进行研究。研究对象为双梁桥式起重机，桥架由主梁和端梁搭接而成。其几何模型由三文软件Pro/e建立，导入CAE软件hyperworks进行分析和优化。在几何建模时简化螺栓，小孔等细小结构，并尽量保证钢板的连续，去除在分析中不重要结构。由于各板长度远大于板厚，因此采用壳单元建立有限元模型，以减少网格，提高计算效率。主梁各板间用刚性连接模拟焊接，即各板的相交单元间共节点，以简化模型，而主梁与端梁用spotweld焊接。在满足起重机强度、静刚度、模态的要求下对其进行结构优化。