1 相關概念及定義

    1.1 輕量化

    輕量化技術是指采用優(yōu)化結構、優(yōu)選材料、優(yōu)選加工方法等，在大化減輕機械零部件或整機自重的基礎上，實現(xiàn)結構質(zhì)量、制造成本、產(chǎn)品性能等綜合指標優(yōu)化的項新技術。

    1.2 輕量化設計的思路

    輕量化的目的在于將所設計產(chǎn)品的自重降到低，同時還必須保證產(chǎn)品的功能完備，安全性與耐用性符合設計要求。輕量化設計可從以下幾方面考慮：

    (1)結構輕量化，設計合理的幾何外形和單的傳力路徑來實現(xiàn)前衛(wèi)的結構構造。

    (2)材料輕量化，采用密度更小、強度更高的材料代替質(zhì)量體積比較大的材料。

    (3)工藝輕量化，挖掘各種工藝技術的潛能，以實現(xiàn))可靠的構件功能集成。

    (4)借助于高水平的分析計算方法FEM、BEM等），獲得結構的應力載荷分布與穩(wěn)定性情況，從而為起重機的輕量化設計提供理論依據(jù)。

2 結構輕量化

    2.1 輕量化設計計算方法

    (1)限狀態(tài)法

    限狀態(tài)法以概率論、數(shù)理統(tǒng)計、可靠性分析為理論基礎，把載荷、材料屬性、構件實際尺寸等均看作基于某種概率分布的統(tǒng)計量，通過獲得各基本變量的分布概率模型及概率模型參數(shù)，計算產(chǎn)品失效概率來估算起重機鋼結構的安全度，是種近似于定量計算的方法。這種計算方法考慮了金屬結構的實際工況，計算結果，能充分利用鋼材的性能，比較適合輕量化設計計算。

    (2)有限元法

    有限元法是種以彈性力學為基礎的現(xiàn)代數(shù)值計算方法，能綜合考慮產(chǎn)品的實際工況和約束，對其實體模型進行近似定量的分析，給出結構全面的應力變形情況，為優(yōu)化設計和輕量化設計奠定基礎，對復雜結構及系統(tǒng)的化分析與設計尤為有效。

    (3)優(yōu)化設計法

    目前優(yōu)化設計在起重機輕量化設計中的應用主要是以質(zhì)量輕為評價指標的單目標優(yōu)化，未來的發(fā)展方向是綜合考慮起重機的性能、制造成本、生產(chǎn)工藝等多種因素，采用多目標優(yōu)化方法進行綜合優(yōu)化。與有限元法、計算機技術等有機融合是優(yōu)化設計在結構設計領域得到大發(fā)展的有效途徑，比如通過有限元分析求解靈敏度來篩選對目標函數(shù)影響較大的參數(shù)，進行有針對性的優(yōu)化設計，能顯著提高優(yōu)化效率。

    2.2 橋架結構輕量化

    應用有限元分析技術，研究了大型岸邊橋式起重金屬結構在各種工況下的靜動態(tài)特性，并結合岸橋金屬結構自身的特點，提出了以結構剛度、強度以及模態(tài)頻率為約束，以質(zhì)量小為目標函數(shù)的岸橋金屬結構輕量化設計方法，成功實現(xiàn)岸橋金屬結構減重8.9t，其質(zhì)量比原來下降了7.3%。該論文對大型集裝箱用起重機的設計及輕量化研究具有較高的參考價值。

    基于MATLAB平臺，采用差分演化法完成了橋架結構的輕量化設計。先，建立了主端梁模塊及加強筋的數(shù)學優(yōu)化模型，確定了新型輕量化橋式起重機主端梁的結構形式及聯(lián)接方式；其次，編制了橋架輕量化設計流程并具體開發(fā)了偏軌箱型主梁設計系統(tǒng)，所設計的主梁達到了預期的減重目標，驗證了差分演化法在起重機輕量化設計方面的可行性。文章所提到的輕量化設計流程及開發(fā)平臺是輕量化設計未來的發(fā)展方向。

    基于相似理論的結構模型試驗研究，解決了起重機靜載試驗受場地、成本限制的問題，并通過試驗驗證了文獻中所使用的原型主梁的輕量化效果。

    2.3 起重小車輕量化

    起重小車輕量化設計分3個步驟：優(yōu)化小車零部件；優(yōu)化起升、運行機構的傳動布置形式；優(yōu)化小車架的結構形式。目的是使小車結構緊湊，降低整車自重和限高度。