基于计算智能的起重机金属结构可靠性稳健优化设计研究

Crane metal structure is the main component of crane. Its design quality has a direct impact on the complete crane's technical and economic security index and life. Its computation model and design calculation are very complicated. The conventional allowable stress design method not only has tedious and difficult calculation, great labour intensity and long design period, but also make the size and weight of the whole crane too big because of the conservative theory of structural design. In this project, bridge crane and gantry crane are thinked of as the research object, to integratedly promote the design efficiency and three key qualities, namely as economy, reliability and robustness of the crane metal structure, is the research target, and optimization design is taked as the entry-point. The design method of crane metal structure is researched systematically from optimization design to reliability-based design optimization and then to reliability-based robust design optimization. The effective modelling technology and solving methods, which solve the key technology of the project, are exploed in the crane metal structure design opitmization based on intelligence algorithm. The reliability-based design optimization method based on the reliability of strength, rigidity, stability and fatigue, and the reliability-based robust design optimization method based on the robustness of the quality and the above reliability are probed into. The crane metal structure design's theory and method, which could ensure the overall qualities of complete structure and by which the optimal design scheme could be selected automatically, is formed finally. Will china's crane metal structure design ascend to a new level.

起重机金属结构是起重机的主要组成部分，其设计质量的好坏直接影响整机的技术经济、安全指标和寿命，其计算模型及设计计算都非常复杂，传统的许用应力设计法，不但计算繁琐，劳动强度大，周期长，而且由于保守的结构设计理论，使所设计的起重机整体尺寸和重量过于庞大。本项目以桥、门式起重机为研究对象，以综合提高设计效率及产品的经济性、可靠性和稳健性三个关键质量为目标，以"优化设计"为切入点，按照"优化-可靠性优化-可靠性稳健优化"为研究主线，系统研究起重机金属结构的设计方法，探索智能算法在起重机金属结构优化设计中的有效建模技术和求解方法，解决本项目的技术关键，探索基于强度、刚度、稳定及疲劳可靠性的可靠性优化设计方法，并基于上述可靠性稳定及质量稳定的可靠性稳健优化设计方法，最终形成一套能保证整机结构综合质量并能自动择取最优设计方案的起重机金属结构设计理论和方法，将我国的起重机金属结构设计提升到一个新的高度。

起重机金属结构是起重机的机械骨架，起着承受和传递起重机所负担载重及其自身重量的作用，是起重机主要组成部分，其设计质量的好坏直接影响整机技术经济指标、安全指标和寿命。长期以来起重机金属结构主要沿用基于传统力学的半理论半经验的设计方法，不仅计算繁琐，设计周期长，而且只限在少数几个候选方案中进行分析比较，一般很难得到近乎最优的设计方案。随着计算机技术及优化理论的发展与应用，相关学者也在不断地致力于起重机金属结构优化设计研究，但由于确定性的优化设计没有考虑存在于结构中非确定性因素的影响，所以难以保证优化结果的安全性和可靠性。研究显示，作用在起重机金属结构上的载荷一般都具有随机性，材料特性以及结构本身的几何尺寸等也都是不确定的，这些因素的随机性都会影响到结构的可靠性和质量的稳定性，所以只有考虑可靠性和稳健性的优化设计才是符合实际的设计方法。为此，项目从优化设计着手，开展了较详细的起重机金属结构的优化设计，可靠性优化设计及可靠性稳健优化设计研究。以桥门式起重机金属结构为研究对象构建了起重机金属结构优化设计模型，可靠性优化设计模型和稳健优化设计模型；在优化方法上，构建了起重机金属结构变异蚁群算法模型，帝国竞争算法模型，学习型果蝇算法模型及镜面反射算法模型，为其后的可靠性优化及稳健优化奠定了坚实的基础；在可靠性优化设计方面，在上述优化设计方法的基础上融合改进一次二阶矩法，子集模拟模特卡洛法，模糊可靠度计算法，区间模型的非概率可靠度计算方法及灰色关联度理论构建了嵌套循环的起重机金属结构可靠性优化设计算法模型及稳健优化设计模型，并通过实际案例验证了各算法模型的可行性和有效性；在可靠性方面，在疲劳可靠性和性能退化数据云理论的蒙特卡洛方面取得了一定的研究成果；另外完成了桥门式起重机金属结构参数化有限元模型的建立和门式起重机金属结构的应力测试实验，为起重机金属结构的进一步深入研究奠定了基础。优化设计是设计的发展方向，可靠性优化设计是优化设计的发展方向，起重机金属结构可靠性优化设计的研究成果必将改变现有起重机金属结构的设计理念和方法，使起重机金属结构设计朝着兼顾经济和安全、可靠性的方向发展。各种优化方法和可靠性优化方法的实现为起重机金属结构可靠性优化设计的深入研究和应用做了开创性的研究工作。融合计算机技术和有限元分析方法的起重机金属结构可靠性优化设计必将进一步改变现有起重机金属结构的设计手段。