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起重创新
环轨起重机主臂结构拓扑优化研究
徐振东
大连理工大学
环轨起重机是目前吊装能力最强的起重机,广泛应用于核电、石油化工的吊装任务中,环轨起重机的主臂是主要的承载部件,因而对其性能要求较高。主臂的结构形式对性能有着极大的影响,因此主臂结构的优化设计是一个重要的研究方向。目前针对环轨起重机主臂的拓扑研究较少,主要集中在尺寸及形式优化方面,为了得到综合性能更高的主臂结构,本文主要研究如何将拓扑优化应用在大型桁架结构的设计中,并提高该过程的效率。在分析拓扑优化算法特点及效率的基础上,本文进行了以下工作:
（1）在对主臂结构的连续体优化研究中,采用SIMP法构建优化模型,设计变量的迭代采用K-T条件推导出的准则进行计算。通过参数控制变量研究发现优化模型的体积分数和迭代过程中的移动步长存在关联,并提出利用sigmoid函数映射二者关系,从而控制移动限的大小,计算结果表明,修正移动限法能够有效将SIMP算法的计算速度提高30%以上。
（2）解决了基结构优化过程中的自由度冗余问题,并对结构进行了受力分析;推导了ε-应力松弛法的迭代准则,按照现实条件设置边界条件,实现了基结构拓扑优化,并解决了迭代过程中的收敛情况不稳定的问题。
将连续体拓扑优化和离散体拓扑优化两种方法的优点结合,提出了一种新的拓扑优化的流程:在桁架主臂设计过程中,先利用连续体方法获得拓扑最优的结构轮廓,缩小下一步的设计域;在拓扑最优轮廓的基础上生成初始基结构;再利用基结构法,最终得到主臂的类桁架结构。
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