CN103902790A - 岸桥起重机动态优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种岸桥起重机动态优化设计方法，该方法包含：建立岸桥起重机的简单模型，对岸桥起重机结构的应力、刚度和动力特性进行初步分析和调整；对岸桥起重机的简单模型进行动态加载，通过遗传方法或基于梯度法的非精确搜索法对影响岸桥起重机动态性能的设计变量进行优化修改，以减小岸桥结构沿小车运行方向的晃动量。本发明综合运用基于梯度法的非精确搜索和遗传算法，发挥两者的长处，前者下降速度快，常用于设计变量相对少量的优化分析；后者对优化模型无特殊要求且不易陷入局部最优解，常用于大型结构的优化分析，两者结合可兼顾常规岸桥动态优化需要。

Description

岸桥起重机动态优化设计方法

技术领域

本发明涉及动力学理论方法研究的技术领域，具体涉及一种岸桥起重机动态优化设计方法。

背景技术

随着物流规模的扩大和集装箱运输船的大型化（已达到18000箱），对于国际化码头，国际班轮的停留时间有限，船型大型化带来的挑战，即是装卸效率需提高5~6倍。尽管我们的制造商已经做出了很大努力，比如双吊具、双小车、三吊具等作业方式的改变，但是机械本身没有很大改变，使装卸效率的进一步提高遇到了瓶颈。原因在于装卸岸桥在码头上一维排列，岸线又为有限长度，效率的提高完全依赖单台设备。前伸距、起升高度加大，起升和运行的速度加快，导致整机的动态性能问题暴露出来，机器作业中振幅加大，给对箱带来更多困难，实际效率提高不够理想。另外自动化码头是当今港口发展的大趋势，自动操作的精确定位，虽可依靠传感器等基础元器件做到，但要快速定位，还是要依靠本身结构的动态性能提高。因此迫切需要研究在不增加重量的前提下，结构全局动力优化技术。

发明内容

本发明提供一种岸桥起重机动态优化设计方法，使岸桥在不增加重量的前提下，沿小车运行方向的晃动减小，提高工作效率和经济性，降低制造和维护成本。

为实现上述目的，本发明提供一种岸桥起重机动态优化设计方法，其特点是，该方法包含：

建立岸桥起重机的简单模型，对岸桥起重机结构的应力、刚度和动力特性进行初步分析和调整；

对岸桥起重机的简单模型进行动态加载，通过遗传方法或基于梯度法的非精确搜索法对影响岸桥起重机动态性能的设计变量进行优化修改，以减小岸桥结构沿小车运行方向的晃动量。

上述建立岸桥起重机的简单模型包含：

采用拓扑优化方法选择岸桥起重机的门框形式；

根据设计要求确定岸桥起重机各部件的截面信息，并根据该截面信息建立简单模型。

上述对岸桥起重机的结构的应力、刚度和动力特性进行初步分析和调整包含：

利用实尺寸试验桥吊平台模拟岸桥起重机的简单模型，进行改变联系梁高度及其距门腿下部高度、更换斜撑杆形式、改变配重重量及其位置的静态试验和动态试验；

在实尺寸试验桥吊平台模拟的岸桥起重机的简单模型上安装加速度传感器和速度传感器，检测结构应力、变形、加速度以及岸桥起重机上大车、小车方向整机频率。

上述静态试验包含测试出小车吊额定载荷在不同车位时的静强度；

动态试验包含：岸桥上大、小车常规运行和紧停时，得到结构应力、变形、加速度时间历程以及大、小车方向整机频率。

采用岸桥起重机动态性能对设计参数的灵敏度分析，选取出影响岸桥起重机动态性能的设计变量。

上述影响岸桥起重机动态性能的参数包含：联系横梁截面周边板厚、台车距离、联系横梁离地面高度、机房向陆侧移动的距离、机房重量、立柱在联系横梁下侧截面周边板厚、立柱在门框处的截面周边板厚。

当影响岸桥起重机动态性能的设计变量等于大于10个，则采用遗传方法进行优化；当影响岸桥起重机动态性能的设计变量小于10个，则采用基于梯度法的非精确搜索法进行优化。

上述通过遗传方法对影响岸桥起重机动态性能的参数进行优化修改的方法包含：

产生一个初始种群；

根据问题的目标函数构造适应度函数；

根据适应度的好坏不断选择和繁殖；

若干代后得到适应度最好的个体即为最优解。

上述通过基于梯度法的非精确搜索法对影响岸桥起重机动态性能的参数进行优化修改的方法包含：

选择初始解；

选择一个适中的步长；

沿着该点的负梯度方向搜索，得到下一个设计解；

调用计算动力响应的函数，得到目标函数值和各个与约束条件相关的状态变量；

判断是否满足约束条件，若否，不满足条件则将步长减半重新计算该设计解，若是，满足约束条件则输出结果。

本发明岸桥起重机动态优化设计方法和现有技术的岸桥起重机设计方法相比，其优点在于，本发明综合运用基于梯度法的非精确搜索和遗传算法，发挥两者的长处，前者下降速度快，常用于设计变量相对少量的优化分析；后者对优化模型无特殊要求且不易陷入局部最优解，常用于大型结构的优化分析，两者结合可兼顾常规岸桥动态优化需要；

本发明相对灵敏度值综合权衡了设计变量对岸桥大梁前端的挠度、结构的最大应力、岸桥的第三阶模态频率及岸桥大梁晃动量的影响，即在综合考虑岸桥动态性能参数变化的条件下，通过优化后的截面尺寸转化为截面的惯性矩来指导岸桥起重机设计，有效的改善岸桥动态特性，对理论和仿真分析与试验桥吊测试结果具有很好的对照性。

附图说明

图1为本发明岸桥起重机动态优化设计方法的流程图；

图2为本发明岸桥起重机动态优化设计方法中遗传方法的流程图；

图3为本发明岸桥起重机动态优化设计方法中基于梯度法的非精确搜索法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明公开了一种岸桥起重机动态优化设计方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、确定岸桥起重机的结构尺寸。一台岸桥在设计前期，由用户提出轨距、外伸距、起重量、起升高度、后伸距、基距、联系横梁下净空高度、门框内净宽、岸桥总宽的要求，据此可以确定主结构参数。在具体设计岸桥起重机结构尺寸参数的前期，很多部件的截面尺寸都无法确定，但是根据轨距、外伸距、起重量、起升高度、后伸距、基距、联系横梁下净空高度、门框内净宽、岸桥总宽的要求，可以大致确定岸桥起重机的前后大梁、梯形架、门腿、拉杆、海陆侧上下横梁、联系横梁、斜撑杆的截面信息：如惯性矩、截面面积和梁高等截面的变化规律。

通过设计要求大致确定岸桥起重机前后大梁、梯形架、门腿、拉杆、海陆侧上下横梁、联系横梁、斜撑杆的截面信息，为本领域技术人员的常规手段，在此即不详细说明，简要说明为：初步设计时，根据主参数，类比以前相似产品，大致确定截面信息。

步骤2、确定岸桥起重机的门框形式。门框型式也是对岸桥动态性能影响较大的一个因素。然而这个因素不易模型化，难以用常规方法对其进行优化。工程中常见的门框型式为侧V字型、单斜撑型、复杂型、V字型四种。本发明中，通过改变轨距、联系横梁下净空高度、整机高度，用拓扑优化的方法确定门框形式的形状，最后总结出选择的规律。

拓扑优化具体包含：施加常规载荷于门框结构上（形状由块开始），在满足强度、刚度、稳定性要求的前提下，用拓扑优化进行形状选择，决定材料去留，减少材料量，以达到减轻重量的目的，变为真实的框架。

步骤3、建立岸桥起重机的简单模型，对岸桥起重机结构的应力、刚度和动力特性进行初步分析和调整。

利用实尺寸试验桥吊平台模拟岸桥起重机的简单模型，进行改变联系梁高度及其距门腿下部高度、更换斜撑杆形式、改变配重重量及其位置的静态和动态试验。具体为：静态试验可测试出小车吊额定载荷在不同车位时的静强度。动态试验时，大、小车常规运行和紧停时，得到结构应力、变形、加速度时间历程以及大、小车方向整机频率。

在实尺寸试验桥吊平台模拟的岸桥起重机的简单模型的关键部位，分别为前大梁前伸距处、梯形架顶端、后大梁后伸距处、海侧上横梁与门腿接口、陆侧上横梁与门腿接口，安装加速度传感器和速度传感器，检测结构应力、变形、加速度以及岸桥起重机上大车、小车方向整机频率。

步骤4、对岸桥起重机的简单模型进行动态加载。选择出影响岸桥起重机动态性能的主要参数。本实施例中，通过晃动量体现岸桥起重机动态性能，即要筛选出影响晃动量的主要参数。

本发明中，选择影响岸桥起重机动态性能主要参数的方法采用灵敏度分析。灵敏度分析：是指计算结构优化目标或约束中的性态函数对设计变量的导数。灵敏度分析作为一个导数，反映出结构设计变量或参数对目标或约束函数影响的灵敏程度。灵敏度值的绝对值越大表明目标函数对设计变量的变化越是灵敏。也就是说灵敏度值的绝对值越大表明该参数对岸桥起重机动态性能的影响越大。

筛选对晃动量影响大的设计变量，确定最终的动力优化设计变量。灵敏度值的绝对值越高表明岸桥大梁的晃动量对该设计变量的变化越敏感。改变灵敏度值高的设计变量比改变灵敏度值低的设计变量更能有效的改变晃动量的值。

具体选择流程如下：

分别计算出目标函数和状态变量对每个岸桥设计变量的数值的灵敏度，进一步计算了约束函数对目标函数的相对灵敏度。

给设计变量                                               

一微小摄动

，通过结构分析求出结构相应，再由差分格式来计算目标函数

关于设计变量

的近似导数。由于设计变量的取值区间的大小不同，为了保证式（1）中求得的更加合理，灵敏度采取下式的形式来计算：

                        （1） 

式中，

和

分别为设计变量的上界和下界，并且取

，这样每次取各个设计变量变化1%，观察目标函数值变化了多少，也消去了设计变量取值区间大小不同带来的影响。

绝对值越大表明该设计变量对目标函数越敏感。最终选出影响岸桥起重机动态性能的主要参数。

影响岸桥起重机动态性能的主要参数包含：联系横梁截面周边板厚、台车距离、联系横梁离地面高度、机房向陆侧移动的距离、机房重量、立柱在联系横梁下侧截面周边板厚、立柱在门框处的截面周边板厚。

步骤5、经过灵敏度分析后，通过遗传方法或基于梯度法的非精确搜索法对影响岸桥起重机动态性能的主要参数进行优化修改。以强度

、刚度

和频率

作为约束条件，减小岸桥结构沿小车运行方向的晃动量

。

根据需优化变量的个数，选择优化方法，如果需要优化更精确，则可以多选择要优化的变量，当变量个数达到十个及以上时，用遗传算法；如果不需要特别精确地优化，可以只选取几个主要变量进行优化，那当小于十个时，采用基于梯度法的非精确搜索法。

如图2所示，通过遗传方法对影响岸桥起重机动态性能的参数进行优化修改的方法具体包含以下步骤：

a）产生一个初始种群：遗传算法方法是一种基于群体寻优的方法，算法运行时是以一个种群在搜索空间进行搜索。一般是采用随机方法产生一个初始种群。也可以使用其他方法构造一个初值种群。

b）根据问题的目标函数构造适应度函数：在遗传算法中使用适应度函数来表征种群中每个个体对其生存环境的适应能力，每个个体具有一个适应度。适应度是群体中个体生存机会的唯一确定性指标。适应度函数的形式直接决定着群体的进化行为。适应度函数基本上依据优化的目标函数来确定。为了能够直接将适应度函数与群体的个体优劣相联系，在遗传算法中适应度规定为非负，并且在任何情况下总是希望越大越好。

c）根据适应度的好坏不断选择和繁殖：在遗传算法中自然选择规律的体现就是以适应度的大小决定的概率分布来进行选择。个体的适应度越大，该个体被遗传到下一代的概率越大；反之，个体的适应度越小，该个体被遗传到下一代的概率也越小。被选择的个体两两进行繁殖。繁殖产生的个体组成新的种群。这样选择和繁殖的过程不断重复。

d）若干代后得到适应度最好的个体即为最优解：在若干代后，得到的适应度最好的个体所对应的解即被认为是问题的最优解。

例如：个体A：1 0 0 1 1 1 1 → 1 0 0 1 0 0 0 新个体；个体B：0 0 1 1 0 0 0 → 0 0 1 1 1 1 1 新个体。

如图3所示，通过基于梯度法的非精确搜索法对影响岸桥起重机动态性能的参数进行优化修改的方法包含以下步骤：

a’）选择初始解，即有

。

b’）首先选择一个适中的步长

。

c’）沿着该点的负梯度方向搜索，得到下一个设计解。

d’）然后调用计算动力响应的函数，得到目标函数值和各个与约束条件相关的状态变量。

e’）判断是否满足约束条件，目标函数值是否有下降，如果不满足条件则将步长

减半重新计算该设计解。若满足约束条件则输出结果。

以下举例说明优化修改的实施例：

选取TT11、TT12、D、H4、H5、H、L、MM、TT22、TT41、TT42、H3该一组变量做动力优化的设计变量。

为联系横梁离轨面的高度；

为机房向陆侧方向移动的距离（相对距离）；

为机房质量；

为立柱在联系横梁下侧的梁截面翼缘板厚度；TT41和TT42为门框立柱的板厚度；H3和H4为大车联系横梁截面的宽和高；TT11和TT12为联系横梁截面的翼缘板和腹板的厚度；D为台车间距；H5为陆侧门框上联系横梁的截面高度。

设计变量选取十二个，选用遗传算法进行分析，不断地产生新种群（包含所有设计变量），直到满足停止条件，得到在约束条件满足的前提下，使目标函数最优的设计变量值。如果选择的设计变量不足十个，通常选用基于梯度法的非精确搜索法，目标函数不断下降，知道满足容许精度为止，得到最优的设计变量值。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (9)

1.一种岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，该方法包含：

建立岸桥起重机的简单模型，对岸桥起重机结构的应力、刚度和动力特性进行初步分析和调整；

对岸桥起重机的简单模型进行动态加载，通过遗传方法或基于梯度法的非精确搜索法对影响岸桥起重机动态性能的设计变量进行优化修改，以减小岸桥结构沿小车运行方向的晃动量。

2.如权利要求1所述的岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，所述建立岸桥起重机的简单模型包含：

采用拓扑优化方法选择岸桥起重机的门框形式；

根据设计要求确定岸桥起重机各部件的截面信息，并根据该截面信息建立简单模型。

3.如权利要求1所述的岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，所述对岸桥起重机的结构的应力、刚度和动力特性进行初步分析和调整包含：

利用实尺寸试验桥吊平台模拟岸桥起重机的简单模型，进行改变联系梁高度及其距门腿下部高度、更换斜撑杆形式、改变配重重量及其位置的静态试验和动态试验；

在实尺寸试验桥吊平台模拟的岸桥起重机的简单模型上安装加速度传感器和速度传感器，检测结构应力、变形、加速度以及岸桥起重机上大车、小车方向整机频率。

4.如权利要求3所述的岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，所述静态试验包含测试出小车吊额定载荷在不同车位时的静强度；

动态试验包含：岸桥上大、小车常规运行和紧停时，得到结构应力、变形、加速度时间历程以及大、小车方向整机频率。

5.如权利要求1所述的岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，采用岸桥起重机动态性能对设计参数的灵敏度分析，选取出影响岸桥起重机动态性能的设计变量。

6.如权利要求1所述的岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，所述影响岸桥起重机动态性能的参数包含：联系横梁截面周边板厚、台车距离、联系横梁离地面高度、机房向陆侧移动的距离、机房重量、立柱在联系横梁下侧截面周边板厚、立柱在门框处的截面周边板厚。

7.如权利要求1所述的岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，当影响岸桥起重机动态性能的设计变量等于大于10个，则采用遗传方法进行优化；当影响岸桥起重机动态性能的设计变量小于10个，则采用基于梯度法的非精确搜索法进行优化。

8.如权利要求1或6所述的岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，所述通过遗传方法对影响岸桥起重机动态性能的参数进行优化修改的方法包含：

产生一个初始种群；

根据问题的目标函数构造适应度函数；

根据适应度的好坏不断选择和繁殖；

若干代后得到适应度最好的个体即为最优解。

9.如权利要求1或6所述的岸桥起重机动态优化设计方法，其特征在于，所述通过基于梯度法的非精确搜索法对影响岸桥起重机动态性能的参数进行优化修改的方法包含：

选择初始解；

选择一个适中的步长；

沿着该点的负梯度方向搜索，得到下一个设计解；

调用计算动力响应的函数，得到目标函数值和各个与约束条件相关的状态变量；

判断是否满足约束条件，若否，不满足条件则将步长减半重新计算该设计解，若是，满足约束条件则输出结果。

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