基于多目标拓扑优化的龙门起重机主梁轻量化设计与静动力分析

《Applied Sciences》：Lightweight Design and Static–Dynamic Analysis of a Gantry Crane Main Girder Based on Multi-Objective Topology Optimization

　　摘要目前关于门式起重机梁的轻量化优化研究仅采用静强度与刚度约束，忽略了由动力载荷和焊接制造引起的疲劳损伤，导致所获得的优化设计方案不具备实际工程可行性。为克服这一局限，本文提出了一种综合考虑静强度、动力学、疲劳及最小焊接厚度约束的新型多目标拓扑优化方法。以结构重量最小化、柔度最小化及一阶固有频率最大化作为优化目标，并以结构应力、位移、振动频率及最小焊接厚度作为约束条件，采用改进遗传算法获取帕累托最优解集。通过有限元分析，在不同工况下对比了原始梁与优化后梁的静力学性能、模态特征及瞬态动力响应。结果表明，优化后的梁在各方面性能均显著提升：结构质量降低15.6%，最大等效应力减小8.3%，跨中挠度减小10.9%，一阶固有频率提高12.1%，疲劳寿命延长18.3%。所提方法能够有效支撑起重机金属结构的精准轻量化设计，为其高效轻量化优化提供了一种可行的技术方案。