岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包含：建立岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型，對(duì)岸橋起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、剛度和動(dòng)力特性進(jìn)行初步分析和調(diào)整；對(duì)岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，通過(guò)遺傳方法或基于梯度法的非精確搜索法對(duì)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化修改，以減小岸橋結(jié)構(gòu)沿小車運(yùn)行方向的晃動(dòng)量。本發(fā)明綜合運(yùn)用基于梯度法的非精確搜索和遺傳算法，發(fā)揮兩者的長(zhǎng)處，前者下降速度快，常用于設(shè)計(jì)變量相對(duì)少量的優(yōu)化分析；后者對(duì)優(yōu)化模型無(wú)特殊要求且不易陷入局部最優(yōu)解，常用于大型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，兩者結(jié)合可兼顧常規(guī)岸橋動(dòng)態(tài)優(yōu)化需要。
【專利說(shuō)明】岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動(dòng)力學(xué)理論方法研究的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著物流規(guī)模的擴(kuò)大和集裝箱運(yùn)輸船的大型化(已達(dá)到18000箱)，對(duì)于國(guó)際化碼頭，國(guó)際班輪的停留時(shí)間有限，船型大型化帶來(lái)的挑戰(zhàn)，即是裝卸效率需提高5飛倍。盡管我們的制造商已經(jīng)做出了很大努力，比如雙吊具、雙小車、三吊具等作業(yè)方式的改變，但是機(jī)械本身沒(méi)有很大改變，使裝卸效率的進(jìn)一步提高遇到了瓶頸。原因在于裝卸岸橋在碼頭上一維排列，岸線又為有限長(zhǎng)度，效率的提高完全依賴單臺(tái)設(shè)備。前伸距、起升高度加大，起升和運(yùn)行的速度加快，導(dǎo)致整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題暴露出來(lái)，機(jī)器作業(yè)中振幅加大，給對(duì)箱帶來(lái)更多困難，實(shí)際效率提高不夠理想。另外自動(dòng)化碼頭是當(dāng)今港口發(fā)展的大趨勢(shì)，自動(dòng)操作的精確定位，雖可依靠傳感器等基礎(chǔ)元器件做到，但要快速定位，還是要依靠本身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能提高。因此迫切需要研究在不增加重量的前提下，結(jié)構(gòu)全局動(dòng)力優(yōu)化技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使岸橋在不增加重量的前提下，沿小車運(yùn)行方向的晃動(dòng)減小，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)性，降低制造和維護(hù)成本。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是，該方法包含:
建立岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型，對(duì)岸橋起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、剛度和動(dòng)力特性進(jìn)行初步分析和調(diào)整；
對(duì)岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，通過(guò)遺傳方法或基于梯度法的非精確搜索法對(duì)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化修改，以減小岸橋結(jié)構(gòu)沿小車運(yùn)行方向的
晃動(dòng)量。
[0005]上述建立岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型包含:
采用拓?fù)鋬?yōu)化方法選擇岸橋起重機(jī)的門框形式；
根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定岸橋起重機(jī)各部件的截面信息，并根據(jù)該截面信息建立簡(jiǎn)單模型。
[0006]上述對(duì)岸橋起重機(jī)的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、剛度和動(dòng)力特性進(jìn)行初步分析和調(diào)整包含: 利用實(shí)尺寸試驗(yàn)橋吊平臺(tái)模擬岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型，進(jìn)行改變聯(lián)系梁高度及其距門
腿下部高度、更換斜撐桿形式、改變配重重量及其位置的靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)；
在實(shí)尺寸試驗(yàn)橋吊平臺(tái)模擬的岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型上安裝加速度傳感器和速度傳感器，檢測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、加速度以及岸橋起重機(jī)上大車、小車方向整機(jī)頻率。
[0007]上述靜態(tài)試驗(yàn)包含測(cè)試出小車吊額定載荷在不同車位時(shí)的靜強(qiáng)度；
動(dòng)態(tài)試驗(yàn)包含:岸橋上大、小車常規(guī)運(yùn)行和緊停時(shí)，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、加速度時(shí)間歷程以及大、小車方向整機(jī)頻率。[0008]采用岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度分析，選取出影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量。
[0009]上述影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)包含:聯(lián)系橫梁截面周邊板厚、臺(tái)車距離、聯(lián)系橫梁離地面高度、機(jī)房向陸側(cè)移動(dòng)的距離、機(jī)房重量、立柱在聯(lián)系橫梁下側(cè)截面周邊板厚、立柱在門框處的截面周邊板厚。
[0010]當(dāng)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量等于大于10個(gè)，則采用遺傳方法進(jìn)行優(yōu)化；當(dāng)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量小于10個(gè)，則采用基于梯度法的非精確搜索法進(jìn)行優(yōu)化。
[0011]上述通過(guò)遺傳方法對(duì)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修改的方法包含:
產(chǎn)生一個(gè)初始種群；
根據(jù)問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)；
根據(jù)適應(yīng)度的好壞不斷選擇和繁殖；
若干代后得到適應(yīng)度最好的個(gè)體即為最優(yōu)解。
[0012]上述通過(guò)基于梯度法的非精確搜索法對(duì)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修改的方法包含:
選擇初始解；
選擇一個(gè)適中的步長(zhǎng)；
沿著該點(diǎn)的負(fù)梯度方向搜索，得到下一個(gè)設(shè)計(jì)解；
調(diào)用計(jì)算動(dòng)力響應(yīng)的函數(shù)，得到目標(biāo)函數(shù)值和各個(gè)與約束條件相關(guān)的狀態(tài)變量；
判斷是否滿足約束條件，若否，不滿足條件則將步長(zhǎng)減半重新計(jì)算該設(shè)計(jì)解，若是，滿足約束條件則輸出結(jié)果。
[0013]本發(fā)明岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)有技術(shù)的岸橋起重機(jī)設(shè)計(jì)方法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明綜合運(yùn)用基于梯度法的非精確搜索和遺傳算法，發(fā)揮兩者的長(zhǎng)處，前者下降速度快，常用于設(shè)計(jì)變量相對(duì)少量的優(yōu)化分析；后者對(duì)優(yōu)化模型無(wú)特殊要求且不易陷入局部最優(yōu)解，常用于大型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，兩者結(jié)合可兼顧常規(guī)岸橋動(dòng)態(tài)優(yōu)化需要；
本發(fā)明相對(duì)靈敏度值綜合權(quán)衡了設(shè)計(jì)變量對(duì)岸橋大梁前端的撓度、結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、岸橋的第三階模態(tài)頻率及岸橋大梁晃動(dòng)量的影響，即在綜合考慮岸橋動(dòng)態(tài)性能參數(shù)變化的條件下，通過(guò)優(yōu)化后的截面尺寸轉(zhuǎn)化為截面的慣性矩來(lái)指導(dǎo)岸橋起重機(jī)設(shè)計(jì)，有效的改善岸橋動(dòng)態(tài)特性，對(duì)理論和仿真分析與試驗(yàn)橋吊測(cè)試結(jié)果具有很好的對(duì)照性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程圖；
圖2為本發(fā)明岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中遺傳方法的流程圖；
圖3為本發(fā)明岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中基于梯度法的非精確搜索法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0016]如圖1所示，本發(fā)明公開了一種岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包含以下步驟:
步驟1、確定岸橋起重機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸。一臺(tái)岸橋在設(shè)計(jì)前期，由用戶提出軌距、外伸距、起重量、起升高度、后伸距、基距、聯(lián)系橫梁下凈空高度、門框內(nèi)凈寬、岸橋總寬的要求，據(jù)此可以確定主結(jié)構(gòu)參數(shù)。在具體設(shè)計(jì)岸橋起重機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的前期，很多部件的截面尺寸都無(wú)法確定，但是根據(jù)軌距、外伸距、起重量、起升高度、后伸距、基距、聯(lián)系橫梁下凈空高度、門框內(nèi)凈寬、岸橋總寬的要求，可以大致確定岸橋起重機(jī)的前后大梁、梯形架、門腿、拉桿、海陸側(cè)上下橫梁、聯(lián)系橫梁、斜撐桿的截面信息:如慣性矩、截面面積和梁高等截面的變化規(guī)律。
[0017]通過(guò)設(shè)計(jì)要求大致確定岸橋起重機(jī)前后大梁、梯形架、門腿、拉桿、海陸側(cè)上下橫梁、聯(lián)系橫梁、斜撐桿的截面信息，為本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)手段，在此即不詳細(xì)說(shuō)明，簡(jiǎn)要說(shuō)明為:初步設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)主參數(shù)，類比以前相似產(chǎn)品，大致確定截面信息。
[0018]步驟2、確定岸橋起重機(jī)的門框形式。門框型式也是對(duì)岸橋動(dòng)態(tài)性能影響較大的一個(gè)因素。然而這個(gè)因素不易模型化，難以用常規(guī)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。工程中常見的門框型式為側(cè)V字型、單斜撐型、復(fù)雜型、V字型四種。本發(fā)明中，通過(guò)改變軌距、聯(lián)系橫梁下凈空高度、整機(jī)高度，用拓?fù)鋬?yōu)化的方法確定門框形式的形狀，最后總結(jié)出選擇的規(guī)律。
[0019]拓?fù)鋬?yōu)化具體包含:施加常規(guī)載荷于門框結(jié)構(gòu)上(形狀由塊開始)，在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求的前提下，用拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行形狀選擇，決定材料去留，減少材料量，以達(dá)到減輕重量的目的，變?yōu)檎鎸?shí)的框架。
[0020]步驟3、建立岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型，對(duì)岸橋起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、剛度和動(dòng)力特性進(jìn)行初步分析和調(diào)整。
[0021]利用實(shí)尺寸試驗(yàn)橋吊平臺(tái)模擬岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型，進(jìn)行改變聯(lián)系梁高度及其距門腿下部高度、更換斜撐桿形式、改變配重重量及其位置的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。具體為:靜態(tài)試驗(yàn)可測(cè)試出小車吊額定載荷在不同車位時(shí)的靜強(qiáng)度。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，大、小車常規(guī)運(yùn)行和緊停時(shí)，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、加速度時(shí)間歷程以及大、小車方向整機(jī)頻率。
[0022]在實(shí)尺寸試驗(yàn)橋吊平臺(tái)模擬的岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型的關(guān)鍵部位，分別為前大梁前伸距處、梯形架頂端、后大梁后伸距處、海側(cè)上橫梁與門腿接口、陸側(cè)上橫梁與門腿接口，安裝加速度傳感器和速度傳感器，檢測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、加速度以及岸橋起重機(jī)上大車、小車方向整機(jī)頻率。
[0023]步驟4、對(duì)岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。選擇出影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的主要參數(shù)。本實(shí)施例中，通過(guò)晃動(dòng)量體現(xiàn)岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能，即要篩選出影響晃動(dòng)量的主要參數(shù)。
[0024]本發(fā)明中，選擇影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能主要參數(shù)的方法采用靈敏度分析。靈敏度分析:是指計(jì)算結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)或約束中的性態(tài)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的導(dǎo)數(shù)。靈敏度分析作為一個(gè)導(dǎo)數(shù)，反映出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量或參數(shù)對(duì)目標(biāo)或約束函數(shù)影響的靈敏程度。靈敏度值的絕對(duì)值越大表明目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的變化越是靈敏。也就是說(shuō)靈敏度值的絕對(duì)值越大表明該參數(shù)對(duì)岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響越大。
[0025]篩選對(duì)晃動(dòng)量影響大的設(shè)計(jì)變量，確定最終的動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。靈敏度值的絕對(duì)值越高表明岸橋大梁的晃動(dòng)量對(duì)該設(shè)計(jì)變量的變化越敏感。改變靈敏度值高的設(shè)計(jì)變量比改變靈敏度值低的設(shè)計(jì)變量更能有效的改變晃動(dòng)量的值。[0026]具體選擇流程如下:
分別計(jì)算出目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量對(duì)每個(gè)岸橋設(shè)計(jì)變量的數(shù)值的靈敏度，進(jìn)一步計(jì)算了約束函數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的相對(duì)靈敏度。
[0027]給設(shè)計(jì)變量巧一微小攝動(dòng)^^，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析求出結(jié)構(gòu)相應(yīng)，再由差分格式來(lái)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)/00關(guān)于設(shè)計(jì)變量A的近似導(dǎo)數(shù)。由于設(shè)計(jì)變量的取值區(qū)間的大小不同，為了保證式(I)中求得的取/&1更加合理，靈敏度采取下式的形式來(lái)計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包含: 建立岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型，對(duì)岸橋起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、剛度和動(dòng)力特性進(jìn)行初步分析和調(diào)整； 對(duì)岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，通過(guò)遺傳方法或基于梯度法的非精確搜索法對(duì)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化修改，以減小岸橋結(jié)構(gòu)沿小車運(yùn)行方向的晃動(dòng)量。
2.如權(quán)利要求1所述的岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述建立岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型包含: 采用拓?fù)鋬?yōu)化方法選擇岸橋起重機(jī)的門框形式； 根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定岸橋起重機(jī)各部件的截面信息，并根據(jù)該截面信息建立簡(jiǎn)單模型。
3.如權(quán)利要求1所述的岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述對(duì)岸橋起重機(jī)的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、剛度和動(dòng)力特性進(jìn)行初步分析和調(diào)整包含: 利用實(shí)尺寸試驗(yàn)橋吊平臺(tái)模擬岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型，進(jìn)行改變聯(lián)系梁高度及其距門腿下部高度、更換斜撐桿形式、改變配重重量及其位置的靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)； 在實(shí)尺寸試驗(yàn)橋吊平臺(tái)模擬的岸橋起重機(jī)的簡(jiǎn)單模型上安裝加速度傳感器和速度傳感器，檢測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、加速度以及岸橋起重機(jī)上大車、小車方向整機(jī)頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述靜態(tài)試驗(yàn)包含測(cè)試出小車吊額定載荷在不同車位時(shí)的靜強(qiáng)度； 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)包含:岸橋上大、小車常規(guī)運(yùn)行和緊停時(shí)，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形、加速度時(shí)間歷程以及大、小車方向整機(jī)頻率。
5.如權(quán)利要求1所述的岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，采用岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度分析，選取出影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量。
6.如權(quán)利要求1所述的岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)包含:聯(lián)系橫梁截面周邊板厚、臺(tái)車距離、聯(lián)系橫梁離地面高度、機(jī)房向陸側(cè)移動(dòng)的距離、機(jī)房重量、立柱在聯(lián)系橫梁下側(cè)截面周邊板厚、立柱在門框處的截面周邊板厚。
7.如權(quán)利要求1所述的岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，當(dāng)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量等于大于10個(gè)，則采用遺傳方法進(jìn)行優(yōu)化；當(dāng)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)變量小于10個(gè)，則采用基于梯度法的非精確搜索法進(jìn)行優(yōu)化。
8.如權(quán)利要求1或6所述的岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述通過(guò)遺傳方法對(duì)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修改的方法包含: 產(chǎn)生一個(gè)初始種群； 根據(jù)問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)； 根據(jù)適應(yīng)度的好壞不斷選擇和繁殖； 若干代后得到適應(yīng)度最好的個(gè)體即為最優(yōu)解。
9.如權(quán)利要求1或6所述的岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述通過(guò)基于梯度法的非精確搜索法對(duì)影響岸橋起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化修改的方法包含: 選擇初始解； 選擇一個(gè)適中的步長(zhǎng)；沿著該點(diǎn)的負(fù)梯度方向搜索，得到下一個(gè)設(shè)計(jì)解； 調(diào)用計(jì)算動(dòng)力響應(yīng)的函數(shù)，得到目標(biāo)函數(shù)值和各個(gè)與約束條件相關(guān)的狀態(tài)變量； 判斷是否滿足約束條件，若否，不滿足條件則將步長(zhǎng)減半重新計(jì)算該設(shè)計(jì)解，若是，滿足約束條件則輸出結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103902790SQ201410171005
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】董達(dá)善, 滕媛媛, 劉龍, 梅瀟, 楊宇華, 喬榛, 劉海洋, 甘茂椿 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)