大型起重机臂架结构仿生优化设计理论研究

Aiming at solving the contradiction between maximization and lightweight of the cranes, this project focuses on the optimal design method of large crane jib structure and builds the bionic optimization design theory for large jib structure. According to the characteristics of large crane jib, the autonomous growth model of jib structure is established based on the three methods which are bionic optimization, density method and 3d skeleton extraction method. With this model, the jib structure would experience two stages, static growth and dynamic adaption respectively. Additionally, the structure could have five morphologies transformation process that are structural prototype, initial configuration, skeletal structure, maturity structure and adaptation structure. After all these steps, the bionic light jib structure would grow up automatically with gradient performance features. With the comparison of mechanical properties between bionic jib structure and traditional jib structure, the simulation test results would show the application effect of bionic optimization theory using on the large jib structure design. The test contains the following steps: Manufacture the scale models of bionic and traditional jibs; an experiment is conducted with static and dynamic tests on a special experimental platform; verify the validity and effectiveness of bionic optimization theory for the large jib structure design.

为了解决起重机大型化与轻量化的矛盾，着眼于大型起重机臂架结构的最优设计方法问题，建立大型臂架结构仿生优化设计理论。根据大型臂架的重载、动载和杆系特点，以生物承载结构为参照，基于仿生优化方法、密度法和三维骨架提取法，建立大型臂架结构自主式生长模型，使得臂架结构经历静态生长和动态适应两个阶段，以及结构原型、初步构形、杆系结构、成熟结构和适应结构五种形态的转变过程，从而生长出具有梯度性能特征的仿生型轻质臂架结构。通过仿真试验，对比仿生臂架与传统臂架的力学性能，定量表达大型臂架结构仿生优化设计理论的应用效果。制作仿生臂架、传统臂架的比例模型，在专门构建的试验平台上进行静态和动态试验，验证大型臂架结构仿生优化设计理论的正确性和有效性。

项目按基金申请书中的拟定的总体路线，按计划实施，完成了研究目标。理论方面，构建了臂架结构由结构原型-初步构形-杆系结构-成熟结构-适应结构的优化生长模型，提出了新的臂架结构优化设计方法。其中，结构原型-初步构形本质为寻求最优拓扑，课题深入开展以下研究：改进传统结构拓扑优化理论，包括变密度法、仿生SKO方法等；将人工智能算法引入结构优化拓扑设计中；基于仿生思想，提出了仿生生长快速拓扑优化方法；研究了结构模型重建理论。初步构形-杆系结构方面，提出了用于结构优化设计的骨架提取算法，包括基于二值图像细化及基于传力路径的骨架提取算法；并基于生长的理念，提出了杆系结构优化设计的力锥生长法。基于准则法建立了杆系结构-成熟结构的优化理论。成熟结构-适应结构是动力学优化问题，基于灵敏度分析法和遗传算法，构建了臂架结构动力学固有特性和动力学响应的优化模型。在既定研究路线外，课题还深入开展了臂架结构稳定性优化理论的研究，包括基于变密度理论的稳定性拓扑优化算法；杆系结构线性SKO优化方法和几何非线性SKO优化方法；以及组合臂架结构线性失稳、变幅系统悬垂效应、几何材料非线性整体稳定性、局部杆件稳定性等。基于上述理论的研究，开展了起重机臂架结构的仿真优化，包括桥式起重机主梁及巷道堆垛机立柱优化设计；塔式起重机起重臂优化设计；2500吨环轨式起重机臂架优化设计等。最后，基于桥式起重机箱型主梁和塔式起重机起重臂的优化结果，采用量纲分析法推导相似准则，以5:1的相似比开展了原始臂架结构和优化臂架结构的模型试验，验证了臂架结构优化设计理论的正确性和有效性。本课题的研究为桁架式臂架结构的优化设计提供了全新的设计思路，也为结构优化设计领域带来了新的探索方向。