一种门桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计方法与流程

1.本发明属于机械设计技术领域，更具体地，涉及一种机械装备金属结构，特别是门桥式起重机箱形主梁结构的优化设计方法。


背景技术：

2.起重机是用来对物料进行起重、搬运、装卸等作业的设备。门桥式起重机的金属结构设计计算不可避免地要涉及空间结构的超静定问题，同时计算工况较多，采用手算方法难以处理复杂的分析和繁重的计算工作量，传统的设计计算方法不得不做出各种各样的简化和假定。这些处理一方面使计算过程变得可行、简洁，但也使计算结果变得粗略，与实际情况有较大出入，只能通过加大安全系数给予补偿。致使结构尺寸偏大、材料浪费、重量增加、能耗偏高，增加制造、运输、厂房建造及使用成本。目前国内设计并使用的门桥式起重机，其结构尺寸一般较国外同吨位的产品大。
3.传统的主梁结构优化设计首先凭借经验和判断，选择和确定结构方案，初选构件的截面尺寸，然后进行强度、刚度和稳定性的校核验算。对方案的修改或对为数不多的方案进行比较，同样是校核性的。由于计算工作量庞大，只可能做少量的方案比较，结构设计的优劣过多地依赖于设计者的水平和经验，且很难得出满意的方案。
4.计算机cae及优化技术的发展为门桥式起重机箱形主梁的优化设计提供了新的方法。
5.1)一部分采用现代优化技术(如：果蝇算法、飞蛾火焰算法、遗传算法、响应面优化、蜂群算法等)，但仍采用传统工程力学的名义应力法进行计算，以期改善人工经验定义设计参数的弊端，达到参数优化的目的。工程力学的公式法进行了一些简化和假设处理，一般仅考虑了上下盖板及腹板，没有全面考虑几何不连续因素和隔板、加强筋等复杂结构的应力及稳定性安全影响。计算结果无法反映真实的结构状况，导致优化效果不佳。
6.2)也有一部分采用上述的优化技术结合有限元法进行起重机主梁的多目标优化设计。但有限元模型的参数化及自动化建模优化过程较复杂，有限元模型的前处理过程未进行有效的质量控制。造成部件间的连接不能反映真实的连接情况、有限元网格质量控制不佳。大部分采用有限元软件内部参数控制进行自动网格划分，造成网格质量不高、产生局部应力集中，计算精度偏低，影响起重机主梁的优化效果。
7.总之，门桥式起重机箱形主梁现有经典设计以传统工程力学为基础，为便于计算而做了较多的假设与简化，致使计算结果与实际有较大出入。且由于工况较多及计算量较大，结构的优化设计过多地依赖于设计者的水平和经验，一般只是对少量的方案比较，很难得出满意的方案。现有的采用现代优化技术结合有限元法进行的门桥式起重机箱形主梁设计方法，一般没有对cae前处理过程进行有效的质量控制，造成网格质量不高、产生局部应力集中，计算精度偏低，影响起重机主梁的优化效果。


技术实现要素：

8.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种门桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计方法，能够实现起重机箱形主梁设计的简便的参数化有限元建模，有效控制前处理质量，改善分析精度，利用优化算法在参数化有限元模型的基础上，针对经doe分析构建的近似模型，进行起重机箱形主梁设计参数的优化，快速找到最经济的轻量化起重机结构尺寸。
9.为实现上述目的，本发明提供了一种门桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计方法，包括：
10.在三维建模软件中实现起重机主梁的参数化几何建模，并输出几何模型；
11.在有限元前处理软件中自动导入三维设计软件输出的几何模型，并对几何模型进行建模前处理，以建立起重机主梁的参数化有限元仿真模型；
12.对起重机主梁的参数化有限元仿真模型的主梁结构有限元仿真分析进行前处理，并对前处理后的参数化有限元仿真模型进行求解计算；
13.基于有限元的doe分析，建立起重机主梁的参数化有限元仿真模型的近似代理模型；
14.利用优化算法在起重机主梁的参数化有限元仿真模型的基础上，针对经doe分析构建的近似代理模型，进行安全性和可制造性约束条件下的寻优。
15.在一些可选的实施方案中，所述在三维建模软件中实现起重机主梁的参数化几何建模，并输出几何模型，包括：
16.采用三维建模软件对门桥式起重机箱形主梁上下翼缘板、腹板、隔板、端板及加劲肋建立几何模型，轨道建立实体3d模型，几何模型板件以中面进行建模，忽略对计算影响较小的几何特征，将主梁上下翼缘板宽度、腹板高度、腹板间距、中间隔板数量及加劲肋间距进行参数化，形成参数表，将几何模型以有限元前处理软件支持文件格式进行输出。
17.在一些可选的实施方案中，所述在有限元前处理软件中自动导入三维设计软件输出的几何模型，并对几何模型进行建模前处理，包括：
18.三维建模软件中统计中面几何的面积，并与有限元软件中统计的中面几何面积进行比较，以确定几何模型从三维建模软件输出到有限元前处理软件中输入过程的正确性，以对几何模型进行建模前处理，直至有限元前处理软件中的几何模型与三维建模软件中的几何模型一致，得到起重机主梁的参数化有限元仿真模型。
19.在一些可选的实施方案中，所述对起重机主梁的参数化有限元仿真模型的主梁结构有限元仿真分析进行前处理，包括：
20.参数化有限元仿真模型的部件间依焊接、栓接关系进行连接处理，以模拟实际的焊缝连接，利用导入的几何模型几何元素id号和部件名称相对固定的特点，依据几何点、线、面的id号在腹板、上下翼缘板与隔板的相交面进行几何切分，网格划分并进行平滑处理，主梁部件采用板壳单元，小车轨道采用实体单元处理，以弹塑性体赋予材料属性和截面属性，并进行载荷设置，建立载荷步、设置载荷组合和边界约束，对参数化有限元仿真模型进行重量校核，统计参数化有限元仿真模型的总重量，并与主梁设计总重量进行比较，以检查参数化有限元仿真模型网格、材料属性、截面属性设置的正确性，若参数化有限元仿真模型的总重量与主梁设计总重量不相等，则检查并修正网格、材料数据及截面属性设置。
21.在一些可选的实施方案中，所述对前处理后的参数化有限元仿真模型进行求解计算，包括：
22.对主梁结构的前处理过程进行二次开发，形成标准化处理脚本程序，在脚本中设置主梁各部件的板厚，通过脚本程序实现自动导入几何模型文件，进行连接、网格、载荷、约束、载荷步处理，并输出有限元求解文件；
23.将求解文件导入有限元软件求解器进行计算，并从结果文件中提取强度、刚度及稳定性结果，输出参数化有限元仿真模型重量。
24.在一些可选的实施方案中，所述基于有限元的doe分析，建立起重机主梁的参数化有限元仿真模型的近似代理模型，包括：
25.对部件中的尺寸、厚度关键参数在设计空间区域内，依据doe试验设计方法进行采样，根据变化的参数自动修改几何模型，利用前处理标准化脚本程序快速生成参数化有限元仿真模型并输出求解文件，调用有限元求解器计算输出结果，提取强度、刚度、稳定性结果和重量信息形成样本点数据，依据设计参数变量和计算结果的响应数据，采用模型拟合算法建立近似代理模型，对代理模型进行拟合优度r2的误差分析评估，得到满足要求的近似代理模型。
26.在一些可选的实施方案中，所述对代理模型进行拟合优度r2的误差分析评估，得到满足要求的近似代理模型，包括：
27.对代理模型进行拟合优度r2的误差分析评估，若r2》0.9，则进行下一步，否则调整代理模型拟合参数、更换拟合算法或增加样本点数据重新拟合，直至满足拟合优度要求，得到满足要求的近似代理模型。
28.在一些可选的实施方案中，所述利用优化算法在起重机主梁的参数化有限元仿真模型的基础上，针对经doe分析构建的近似代理模型，进行安全性和可制造性约束条件下的寻优，包括：
29.以参数化尺寸为设计变量，基于生产制造实际限定设计空间，以强度、刚度、稳定性及可制造性指标为约束条件，以主梁重量为优化目标，采用智能优化算法，基于代理模型进行迭代寻优。
30.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
31.(1)本发明提供了一种门桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计的方法，在三维设计软件中实现起重机主梁的参数化几何建模，在有限元前处理软件中自动导入三维设计软件输出的几何文件，建立起重机主梁的参数化有限元分析模型,有效控制前处理质量，改善分析精度。利用优化算法在参数化有限元模型的基础上，针对经doe分析构建的近似模型，进行强度、刚度、稳定性等安全性和可制造性约束条件下的寻优,优化起重机主梁的尺寸和材料板厚，减少材料用量，实现轻量化，提高产品经济性。
32.(2)本方法实现了门桥式起重机箱形主梁参数化有限元仿真模型的精确快速建模，最大限度地保留主梁各部件，反映实际结构形式，并考虑了其对设计性能的影响。建模中对部件连接、网格、载荷等前处理进行质量控制，提高了有限元仿真模型整体的分析精度。减少了因模型处理粗略而造成的连接不当、应力集中等问题，可以更真实地反映实际状况。
33.(3)基于参数化的精确有限元模型，运用优化算法在设计空间内，在设计性能要求和可制造性等约束条件下进行大范围的寻优。克服传统方法因计算繁杂而进行简化、假设造成的结果粗略、起重机结构尺寸设计偏大、材料浪费的问题，实现起重机主梁材料用量的优化，提高经济性。
附图说明
34.图1是本发明实施例提供的一种门桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计方法的流程示意图；
35.图2是本发明实施例提供的一种图1中步骤3的分步骤示意图；
36.图3是本发明实施例提供的一种主梁关键结构参数示意图；
37.图4是本发明实施例提供的一种图1中步骤7的流程示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.在本发明实例中，“第一”、“第二”等(若存在)是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。
40.如图1所示是本发明实施例提供的一种门桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计方法的流程示意图，依次包括如下步骤：
41.步骤(1)：对起重机箱形主梁进行三维几何参数化建模；
42.采用三维建模软件(如catia、solidworks、ug等)对主梁上下翼缘板、腹板、隔板、端板、加劲肋等部件以中面建立几何模型，轨道建立实体3d模型，为便于后续有限元模型前处理，几何模型板件仅以中面进行建模，忽略对计算影响较小的几何特征：如板件边部的圆角、折弯面的圆角以直角处理，去掉对力影响较小的孔。主梁结构将部件关键尺寸和装配位置尺寸进行参数化，如将主梁上下翼缘板宽度，腹板高度、腹板间距、中间隔板数量、加劲肋间距进行参数化，形成参数表。
43.编写宏命令脚本，通过脚本程序实现主梁各部件参数，如关键尺寸和装配位置尺寸的修改、更新，最终将几何模型以有限元前处理软件可支持几何文件格式进行输出。
44.步骤(2)：几何文件导入有限元前处理软件；
45.三维建模软件中统计中面几何的面积a1、有限元软件中统计中面面积a2，判断a1是否等于a2，以确定几何模型从三维建模软件输出到有限元前处理软件中输入过程的正确性，检查面遗失及破损等错误，若a1≠a2，在步骤(1)中进行几何模型修正，调整三维几何及文件输出参数，直至有限元前处理软件中的几何模型与三维建模软件中的几何模型一致。
46.步骤(3)：主梁结构有限元仿真分析前处理；
47.如图2所示，模型部件间依据焊接、栓接等关系进行连接处理，以模拟实际的焊缝连接：相交面采用面延伸的方式在相交线上实现网格共结点，平行面构件的上下接触面边缘焊接的情况采用面厚度叠加的方式进行处理，合并几何面，利用导入的几何模型几何元
素id号和部件名称相对固定的特点，依据几何模型点、线、面的id号在腹板、上下翼缘板与隔板等相交面进行几何切分，网格划分并进行平滑等处理，依据《机械产品结构有限元力学分析通用规则》中的单元质量要求检查网格质量，对不符合要求的网格做面分割、几何特征处理，直至网格质量满足要求。
48.主梁部件采用板壳单元，小车轨道采用实体单元处理，以弹塑性体赋予材料属性和截面属性，板壳单元在截面属性中赋予厚度信息。依据国标《起重机设计规范》和设计要求进行载荷设置，并建立载荷步、设置载荷组合和边界约束，小车轮压以集中力形式耦合至轨道相应位置。
49.对模型进行重量校核，统计有限元模型的总重量m1，并与主梁设计总重量m2进行比较，以检查模型网格、材料属性、截面属性设置的正确性。若m1≠m2，检查并修正网格、材料数据及截面属性设置。
50.步骤(4)：对主梁结构的前处理过程进行二次开发，形成标准化处理脚本程序；
51.步骤(3)中的前处理过程采用脚本命令形成标准化处理流程程序，在脚本中设置主梁各部件的板厚，便于后续进行参数化，通过脚本程序实现自动导入几何模型文件，进行连接、网格、载荷、约束、载荷步处理，并输出有限元求解文件。
52.步骤(5)：有限元求解文件计算，输出强度、刚度、稳定性等计算结果；
53.将求解文件导入有限元软件求解器进行计算，并从结果文件中提取强度、刚度、稳定性等结果，同时输出模型的重量信息。
54.步骤(6)：基于有限元的doe分析，建立仿真模型的近似代理模型；
55.如图3所示，对上述部件中的参数，包括尺寸、厚度等关键参数在设计空间区域内，依据doe试验设计方法进行采样，利用步骤(1)的宏脚本根据变化的参数自动修改三维几何模型，利用步骤(4)的前处理标准化脚本程序快速生成有限元仿真模型并输出求解文件，调用有限元求解器计算输出结果，提取强度、刚度、稳定性等结果和重量信息形成样本点数据，依据设计参数变量和计算结果的响应数据，采用合适的模型拟合算法(包括但不限于rbf神经网络、kriging、rsm响应面)建立近似代理模型，对代理模型进行拟合优度r2的误差分析评估，如r2》0.9，则进行下一步，否则调整代理模型拟合参数、更换拟合算法或增加样本点数据重新拟合，直至满足拟合优度要求，近似代理模型可用。
56.步骤(7)：基于满足要求的近似代理模型，对起重机主梁进行优化；
57.如图4所示，以前述步骤中的参数化尺寸为设计变量，基于生产制造实际限定设计空间，以强度、刚度、稳定性、可制造性等指标为约束条件，以主梁重量为优化目标，采用现代智能优化算法(包括但不限于遗传算法、序列二次规划法等及其组合)，基于代理模型进行迭代寻优。
58.实施例:下述实施例给出了一个具体的20t 22.5m通用桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计方法。
59.步骤(1)：起重机箱形主梁进行三维几何建模。采用三维建模软件catia对主梁上下翼缘板、腹板、隔板、端板、加劲肋等部件以中面建立几何模型，轨道建立实体三维模型。在catia的“创成式外形设计”工作台中建立以上各板件仅含中面几何的零件图。
60.板件边部的圆角、加劲肋折弯面的圆角以直角处理，去掉对力影响较小的孔。将主梁上下翼缘板宽度、腹板高度、腹板间距尺寸、中间隔板数量、加劲肋间距进行参数化，形成
参数表。
61.其中，中间隔板数量参数化方法为：1)在catia的“创成式外形设计”工作台界面，在上盖板长度方向边线上创建点dot1，其相对于上盖板边部的距离为边部第一块全高隔板与端部的距离。2)对dot1沿上盖板边线上进行“矩形阵列”，对实例数目参数化为“隔板数量”，阵列间距＝隔板的总间距/(实例数目-1)通过设置“公式”进行尺寸约束。3)在“装配设计”工作台界面，将隔板实例与dot1进行相合约束；通过“重复使用阵列”命令，对隔板实例据上一步中矩形阵列进行实例阵列，并“保留与阵列的链接”。至此，改变“隔板数量”即可控制主梁中隔板的实例数目。
62.将参数导出为设计表：采用catia“设计表”功能，使用当前的参数值以*.txt格式创建设计表，并将参数化的变量与设计表中的参数相关联。修改txt文件中的参数后，catai软件更新即可同步修改几何模型。
63.编写catvbs脚本宏命令，通过脚本程序实现主梁各部件参数修改后的更新，最终将几何模型以有限元前处理软件可支持文件stp格式进行输出。更新脚本为：set product1＝productdocument1.product；product1.update。几何输出脚本为：set partdocument1＝catia.activedocument；partdocument1.exportdata保存文件.stp","stp"
64.步骤(2)：几何文件导入有限元前处理软件；
65.hypermesh软件中导入stp几何文件。catia软件中采用“测量项”统计中面几何的面积a1、hypermesh软件中通过“mass calc”命令统计中面面积a2。判断a1是否等于a2，以确定几何模型从设计软件输出到前处理软件中输入过程的正确性，检查面遗失及破损等错误。若a1≠a2，调整三维几何及stp文件导出参数直至满足要求。
66.步骤(3)：主梁结构有限元仿真分析前处理；
67.模型部件间根据焊接、栓接等关系进行连接处理，以模拟实际的焊缝连接：上下翼缘板与腹板之间、隔板与上翼缘板和腹板之间、加劲肋与腹板之间、端板与上下翼缘板和腹板等相交面采用面延伸的方式在相交线上实现网格共结点。下翼缘板与端梁连接板的平行面上下接触面采用面厚度叠加的方式进行处理，合并几何面。利用导入的几何模型几何元素id号和部件名称相对固定的特点，可实现脚本程序的自动处理。依据几何点、线、面的id号在腹板、上下翼缘板与隔板等相交面进行几何切分，网格划分并进行平滑等处理。
68.主梁部件采用板壳单元，小车轨道采用实体单元处理。为提高网格适应性壳单元采用四边形与三角形相结合的划分策略。依据《机械产品结构有限元力学分析通用规则》中的单元质量要求检查网格质量。四边形单元的长宽比≤5.0、翘曲度≤16
°
、偏斜度≤60
°
、内角40
°
～135
°
，三角形单元长宽比≤5.0、偏斜度≤60
°
、内角20
°
～120
°
。
69.对不符合要求的网格做面切分、几何特征处理，直至网格质量满足要求。
70.以弹塑性体赋予材料属性和截面属性，板壳单元在截面属性中赋予厚度信息。
71.对模型进行重量校核。hypermesh软件中采用“mass calc”命令统计有限元模型所有单元的总重量m1，并与主梁设计总重量m2进行比较，以检查模型网格、材料属性、截面属性设置的正确性。若m1≠m2，检查并修正网格、材料数据及截面属性设置。
72.依据国标《起重机设计规范》和设计要求进行载荷设置，并建立载荷步、设置载荷组合和边界约束。小车轮压以集中力形式耦合至轨道相应位置。
73.步骤(4)：对主梁结构的前处理过程进行二次开发，形成标准化处理脚本程序；
74.步骤(3)中的前处理过程采用脚本命令形成标准化tcl语言处理流程程序。在脚本中设置主梁各部件的板厚，便于后续进行参数化。通过脚本程序实现自动导入几何模型文件，进行连接、网格、载荷、约束、载荷步处理，并输出inp格式的abaqus求解文件。
75.面延伸实现网格共结点采用*connect_surfaces_11函数，方法如下：*createmark surfaces 1面id号
…
；*createmark lines 1；*createmark lines2；*connect_surfaces_11 1 1 1 2 3 15 30 1 1 2 30 3 0
76.面切分采用*surfmark_trim_by_surfmark函数，方法如下：set names_list1[list欲切分部件名称1欲切分部件名称2..]；eval*createmark surfaces 1"by collector name"$names_list1；set names_list2[list切分部件名称1切分部件名称2..]；eval*createmark surfaces 2"by collector name"$names_list2；*surfmark_trim_by_surfmark 1 2 2
[0077]
网格划分采用*automesh函数，*set_meshfaceparams函数先进行网格参数设置。
[0078]
光顺网格采用*marksmoothelements函数，方法如下：*clearmark elements 1；*createmark elements 1"displayed"；*createmark nodes 1*marksmoothelements 1 1 1 10
[0079]
截面属性创建采用*createentity props方法，*createentity props cardimage＝shellsection name＝$propname；set mat_id[hm_getvalue mats name＝$matname dataname＝id]；*setvalue props name＝$propname materialid＝{mats$mat_id}；*setvalue props name＝$propname status＝1111＝$thick。截面属性设置方法：*setvalue comps mark＝1propertyid＝{props$propid}
[0080]
载荷步建立采用*createentity loadsteps name＝loadstep_1。以abaqus为求解器。载荷设置采用*setvalue方法，如：loadsteps id＝$loadstep_id status＝2 195＝1。
[0081]
inp文件输出方法：set hypermesh_path[hm_info-appinfo altair_home]；append hypermesh_path"/templates/feoutput/abaqus/standard.3d"；*feoutputwithdata$hypermesh_path$inp_file_path 0 0 2 1 2
[0082]
步骤(5)：有限元求解文件计算，输出强度、刚度、稳定性等计算结果；
[0083]
将inp求解文件导入abaqus有限元软件求解器进行计算，并从结果文件中提取强度(mises应力、主应力)、刚度(位移)、稳定性(屈曲特征值)等结果，同时输出模型的重量信息。
[0084]
步骤(6)：基于有限元的doe分析，建立仿真模型的近似代理模型；
[0085]
利用isight软件建立doe流程，采用优化拉丁方对上述关键尺寸、厚度参数，在设计空间区域内进行采样。设参数数目为m，样本数据数量为n，则n》(m+1)*(m+2)/2。为提高计算精度，本例n取200。其中catia几何模型参数化更新采用simcode组件读取并修改txt参数表文件，并调用bat批处理命令执行catvbs脚本更新和输出stp几何模型。hypermesh有限元前处理采用simcode组件调用bat批处理命令执行tcl脚本，输出inp格式abaqus有限元求解文件。批处理命令为hmbatch.exe"-tcl"前处理脚本.tcl"。inp文件求解及结果提取采用isight的abaqus组件。abaqus组件读取inp文件，参数化修改各部件的板厚，求解计算inp文件，并提取应力、位移、屈曲特征值等结果指标和重量信息形成样本点数据。
[0086]
依据设计参数变量和计算结果的响应数据，采用rbf神经网络算法建立近似代理
模型。拟合参数smoothing filter＝0.02、type of bass function＝elliptical、maximun iterations to fit＝100，误差分析采用交叉验证法(cross-validation)、误差分析样本取总样本数的20％，本例为40。对代理模型进行拟合优度r2的误差分析评估，如r2》0.9，则进行下一步，否则调整模型拟合参数或增加样本点数据重新拟合，直至满足拟合优度要求，近似代理模型可用。
[0087]
步骤(7)：基于满足要求的近似代理模型，对起重机主梁进行优化。
[0088]
在isight软件optimization模块中以前述步骤中的参数化尺寸为设计变量；基于生产制造实际限定设计空间中主梁截面的高度、宽度、各部件的板厚变化范围，以强度(最大应力)《140mpa、刚度(静刚度工况下最大下挠位移)《26mm、稳定性(屈曲特征值)》设计要求值，等指标为约束条件，以主梁重量最小为优化目标，采用多岛遗传算法(multi-island ga)，基于代理模型进行迭代寻优。
[0089]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0090]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种门桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计方法，其特征在于，包括：在三维建模软件中实现起重机主梁的参数化几何建模，并输出几何模型；在有限元前处理软件中自动导入三维设计软件输出的几何模型，并对几何模型进行建模前处理，以建立起重机主梁的参数化有限元仿真模型；对起重机主梁的参数化有限元仿真模型的主梁结构有限元仿真分析进行前处理，并对前处理后的参数化有限元仿真模型进行求解计算；基于有限元的doe分析，建立起重机主梁的参数化有限元仿真模型的近似代理模型；利用优化算法在起重机主梁的参数化有限元仿真模型的基础上，针对经doe分析构建的近似代理模型，进行安全性和可制造性约束条件下的寻优。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在三维建模软件中实现起重机主梁的参数化几何建模，并输出几何模型，包括：采用三维建模软件对门桥式起重机箱形主梁上下翼缘板、腹板、隔板、端板及加劲肋建立几何模型，轨道建立实体3d模型，几何模型板件以中面进行建模，忽略对计算影响较小的几何特征，将主梁上下翼缘板宽度、腹板高度、腹板间距、中间隔板数量及加劲肋间距进行参数化，形成参数表，将几何模型以有限元前处理软件支持文件格式进行输出。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在有限元前处理软件中自动导入三维设计软件输出的几何模型，并对几何模型进行建模前处理，包括：三维建模软件中统计中面几何的面积，并与有限元软件中统计的中面几何面积进行比较，以确定几何模型从三维建模软件输出到有限元前处理软件中输入过程的正确性，以对几何模型进行建模前处理，直至有限元前处理软件中的几何模型与三维建模软件中的几何模型一致，得到起重机主梁的参数化有限元仿真模型。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对起重机主梁的参数化有限元仿真模型的主梁结构有限元仿真分析进行前处理，包括：参数化有限元仿真模型的部件间依焊接、栓接关系进行连接处理，以模拟实际的焊缝连接，利用导入的几何模型几何元素id号和部件名称相对固定的特点，依据几何点、线、面的id号在腹板、上下翼缘板与隔板的相交面进行几何切分，网格划分并进行平滑处理，主梁部件采用板壳单元，小车轨道采用实体单元处理，以弹塑性体赋予材料属性和截面属性，并进行载荷设置，建立载荷步、设置载荷组合和边界约束，对参数化有限元仿真模型进行重量校核，统计参数化有限元仿真模型的总重量，并与主梁设计总重量进行比较，以检查参数化有限元仿真模型网格、材料属性、截面属性设置的正确性，若参数化有限元仿真模型的总重量与主梁设计总重量不相等，则检查并修正网格、材料数据及截面属性设置。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对前处理后的参数化有限元仿真模型进行求解计算，包括：对主梁结构的前处理过程进行二次开发，形成标准化处理脚本程序，在脚本中设置主梁各部件的板厚，通过脚本程序实现自动导入几何模型文件，进行连接、网格、载荷、约束、载荷步处理，并输出有限元求解文件；将求解文件导入有限元软件求解器进行计算，并从结果文件中提取强度、刚度及稳定性结果，输出参数化有限元仿真模型重量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于有限元的doe分析，建立起重机主
梁的参数化有限元仿真模型的近似代理模型，包括：对部件中的尺寸、厚度关键参数在设计空间区域内，依据doe试验设计方法进行采样，根据变化的参数自动修改几何模型，利用前处理标准化脚本程序快速生成参数化有限元仿真模型并输出求解文件，调用有限元求解器计算输出结果，提取强度、刚度、稳定性结果和重量信息形成样本点数据，依据设计参数变量和计算结果的响应数据，采用模型拟合算法建立近似代理模型，对代理模型进行拟合优度r2的误差分析评估，得到满足要求的近似代理模型。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对代理模型进行拟合优度r2的误差分析评估，得到满足要求的近似代理模型，包括：对代理模型进行拟合优度r2的误差分析评估，若r2>0.9，则进行下一步，否则调整代理模型拟合参数、更换拟合算法或增加样本点数据重新拟合，直至满足拟合优度要求，得到满足要求的近似代理模型。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用优化算法在起重机主梁的参数化有限元仿真模型的基础上，针对经doe分析构建的近似代理模型，进行安全性和可制造性约束条件下的寻优，包括：以参数化尺寸为设计变量，基于生产制造实际限定设计空间，以强度、刚度、稳定性及可制造性指标为约束条件，以主梁重量为优化目标，采用智能优化算法，基于代理模型进行迭代寻优。

技术总结
本发明公开了一种门桥式起重机箱形主梁参数化建模及优化设计方法，属于机械设计技术领域，包括：在三维建模软件中实现起重机主梁的参数化几何建模；在有限元前处理软件中自动导入三维设计软件输出的几何模型，并对几何模型进行建模前处理，以建立起重机主梁的参数化有限元仿真模型；对参数化有限元仿真模型的主梁结构有限元仿真分析进行前处理及求解计算；基于有限元的DOE分析，建立参数化有限元仿真模型的近似代理模型；利用优化算法在参数化有限元仿真模型的基础上，针对近似代理模型，进行安全性和可制造性约束条件下的寻优。通过本发明能够实现起重机箱形主梁设计的简便的参数化有限元建模，快速找到最经济的轻量化起重机结构尺寸。机结构尺寸。机结构尺寸。


技术研发人员：高云 骆海贺 刘念 张思思 朱翠翠
受保护的技术使用者：武汉钢铁有限公司
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/21