基于起重機械現代設計方法探討

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摘要：從起重機械和現代機械設計方法未來的發展方向入手,討論了應用于起重機的幾種現代設計方法,并對各種設計方法的定義和設計思路在起重機設計中的應用作了進一步的闡述,提出了綜合設計法的發展方向。本文是個人的一些見解，可供參考。 關鍵詞：起重機械; 現代設計方法; 發展方向; 前言 起重機械的設計方法有很多, 如標準化設計、參數化設計、綠色設計、協同設計等。而這些設計方法都是圍繞產品質量來完成的, 因為起重機械的質量才是各個方面綜合的體現。在設計過程中把以上各種方法都用上也是不現實的, 所以, 在我們實際的設計過程中, 可以將兩種、三種或三種以上的多種方法結合起來,盡量多地考慮設計變量, 以達到預期的設計效果。發展綜合設計方法, 從理念和技術上尋求產品與設計的最好結合點, 使我們實際的產品朝著具有過硬質量的現代化方向發展。 一、起重機的發展方向及機械現代設計方法分析研究 由于我國起重機械行業發展起步較晚, 雖然在技術水平上有了長足的發展和進步, 但與國際水平相比還存在一定的差距, 如:產品性能一般, 產品開發能力較弱, 制造工藝水平較低, 產品檢測水平不高, 配套件供應和質量問題影響較大, 產品技術標準更新落后, 實施乏力等。因此, 為了適應工業的迅猛發展, 與國際發展接軌, 許多起重機設計制造企業從各個環節上謀求了不同程度的發展, 主要發展方向為: 向大型、高效、節能方向發展; 向自動化、智能化、集成化和信息化方向發展; 向小型化、輕型化、簡單化和多樣化發展; 向成套化、系統化、綜合化和規?；l展; 向模塊化、組合化、系列化和通用化發展; 采用新理論、新方法、新技術和新手段提高設計質量;采用新結構、新部件、新材料和新工藝提高產品性能等。順應現代機械產品的發展趨勢, 機械設計方法也由原來傳統的理論設計、經驗設計、試驗模型設計等方法向現代化的設計方法轉變。從設計過程來看有:方案設計或初步設計;施工設計;工藝設計。從設計內容來看有:概念設計或方案設計; 結構設計;機構設計;幾何參數設計; 工藝參數設計; 造型設計; 傳動設計; 基礎設計;摩擦學設計; 運動學設計; 動力學設計; 強度設計;試驗設計; 容差設計;工藝設計; 控制系統設計; 狀態監控系統設計;診斷系統設計。從設計方法來看有: 優化設計;智能設計;虛擬設計; 可視化設計; 網絡設計; 并行設計; 協同設計; 相似性設計; 數字化設計;反求設計;快速反應設計; 集成設計; 柔性設計;融合設計;模塊化設計;模糊設計; CAD; 三次設計。從設計思想與觀點來看有:綠色設計; 創新設計; 穩健設計;基于質量展開的設計(QFD); 基于系統工程的設計; 基于價值工程展開的設計等。 二、起重機現代設計方法分析研究 1、優化設計。起重機械優化設計一般是非線性規劃問題, 實質上是多元非線性函數的極小化問題。優化設計的首要問題是目標函數、設計變量、約束條件的選取, 即數學模型的建立?，F以門式起重機門架的設計為例來說明其設計思路。首先確定目標函數 G( x), 如門架的重量。然后確定設計變量 xi( i = 1, 2, , , n) , 即決定或對目標函數有較大影響的各個參數, 如主梁、支腿、端梁、橫梁的重量。根據設計變量所受的各種限制確定約束條件, 包括等式約束和不等式約束, 如跨中最大正應力、跨中腹板最大剪應力等等( 由于篇幅的限制不一一列出) 。建立目標函數 G( x) 與設計變量在 x 約束條件下的數學表達式,即目標函數 G( x) = G( x1, x2, , , xn) , 設計過程就是求目標函數的最小值。最后用各種優化方法如一維搜索法、梯度法、牛頓法、懲罰函數法、共軛梯度法等確定設計變量如組成門架的各個部件的結構、尺寸等的最優值, 完成最優設計。 2、模塊化設計。模塊化設計有兩層含義, 即在考慮機械的功能和構成的基礎上, 同時實現產品的互換性和模塊間接口的標準化。因此在進行模塊化設計時, 不但要使模塊滿足設計功能方面的要求, 而且要使模塊間能夠自由連接和組合, 這樣才能發揮模塊化的優勢, 高效完成設計任務。起重機模塊化設計的基本思路: 將起重機進行功能和結構分析, 然后根據分析結果, 劃分并建立具有獨立專有功能的模塊, 對模塊進行技術設計; 最后根據設計要求組合模塊,得到我們所需功能的起重機。模塊化產品的特征就是從功能元素到物理組成的一一對應。起重機采用模塊化設計后, 不但可以使其質量得到保障, 而且還可以大大縮短設計周期和生產周期, 增強市場競爭力, 還可以實現起重機械零部件的成批生產, 從而很大程度的降低生產成本和設計成本, 實現其經濟價值。 3、有限元法設計。有限元法就是將一個形狀復雜的連續體的求解域, 分解為有限個簡單的子區域, 即將一個連續體簡化為有限個單元組成的等效組合體, 通過連續體的離散化, 把求解連續體的場變量問題, 簡化為有限單元節點上的場變量, 求解系列代數方程組, 得到近似的數值解。有限元法設計大致可分為四步: 1) 結構離散; 2) 單元分析;3) 整體分析;4)數值求解。這種方法具有很大的靈活性, 只要改變劃分單元的數目, 就可以改變解的精確度, 得到與真實情況無限接近的結果, 為我們的設計提供更確鑿的依據。 4、動態設計。動態設計是應用動力學的設計方法, 特別是應用非線性動力學的設計方法, 選擇機械設備較優的結構, 較優的動力學參數和動力學狀態, 以達到設備最優的工作狀態。這樣可以在較大范圍內考慮其工作過程中非線性因素的影響, 使振動超標等有關動力學問題在機器運轉過程中得以消除。起重機械如大型門機,其鋼結構重量占整機重量的 60%以上, 而且其鋼結構承受復雜耦合的機械運動, 對系統將產生強烈的沖擊和振動, 鋼結構長期在這種振動的影響下會導致金屬結構的疲勞破壞, 同時, 設備在工作時所產生的振動與噪聲, 會損壞操作者的身心健康, 這也是一個致力解決的工程問題。因而, 要考慮設備的動態安全及人機工程, 這都是動態設計要解決的問題。 5、CAD。CAD 是由計算機完成產品設計中的計算、分析、模擬、制圖編制技術文件等工作, 但這項技術又不是傳統設計方法的簡單影象, 也不是局限在個別步驟或環節中部分的使用計算機作為工具, 而是將計算機科學和工程領域的專業技術以及人的智慧經驗以現代的科學方法相結合, 盡可能地依靠計算機完成重復性高、勞動量大、計算復雜以及單純靠人工難以完成的工作, 輔助而非代替技術人員完成整個設計過程, 以獲得最佳結果。 6、 智能化設計。智能設計有兩種不同的含義: 1) 用智能方法進行設計; 2) 對設計的對象實現智能化, 而現行的智能設計也偏重于對產品的性能參數及其工作過程進行智能控制與優化。對于起重機械, 智能設計會在較大程度上提高產品的性能和質量, 并提升產品在市場上的競爭力, 進而給產品帶來經濟效益和社會效益。 三、結語 起重機是現代工業生產不可缺少的設備, 被廣泛的應用于各種物料的起重、裝卸、安裝等作業中, 大大減輕了體力勞動強度,提高了勞動生產率。若要提高起重產品的質量, 降低生產成本, 利用先進的設計方法是必不可少的。起重機械的設計方法與起重機械的發展方向和機械設計方法的發展方向是密切相關的。 參考文獻: [1] 黃大巍, 李 風, 毛文杰, 等. 現代起重運輸機械[ M] . 北京 :化學工業出版社, 2006. [2] 徐新輝. 基于 Ansys 分析的龍門起重機箱型主梁優化設計[ D] . 武漢: 武漢理工大學, 2005. [3] 楊利花, 楊世強. 現代設計方法及其發展趨勢[ J] . 甘肅科學學報, 2004.

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