摘 要 斗轮机是一种连续高效的散状物料输送设备，作为大型钢结构其自重大、工作环境恶劣，而且需要连续作业，这些都对斗轮机的工作性能提出了更高的要求。本文在常规手工处理模型的基础上，充分利用了通用软件的脚本语言来开发针对这种大型复杂钢结构的自动分析程序。在对斗轮机的分析过程中，基本模拟了斗轮机的实际工作状态，通过与以往的分析经验比对，得到了真实的结构受力特性，从而为设计人员进行优化设计提供了可靠的数据。
关键词 斗轮机金属结构；有限元；优化设计
前言
我国正处于十一五发展的关键时期，西部大开发以及中部崛起的发展规划正稳步推进，基础建设项目蓬勃发展，使得基础原材料的物流量激增。同时我国电力系统中，火力发电占总发电量的4/5左右，一座汽轮发电机总功率为1000兆瓦的电站，每年约需耗用标准煤230万吨，前几年我国用于火力发电的煤炭达12.82亿吨，占全国原煤产量的51%。在这种背景下，对煤炭、水泥等原材料的需求日益增长，大规模的物流运输就需要高效率的装卸设备。
1 斗轮机简介
斗轮机是在小型斗轮挖掘机的基础上发展起来的堆、取合一的轨道式装卸设备，主要应用于火电厂、矿山、港口、钢铁、水泥等行业以及大型水利工地的散料的堆取、输送和均料。与间歇式的起重机和装载机比较，具有生产效率高、堆取料能力大、料场占地面积小、运行速度稳定、功率变化小、容易实现自动控制等优点。斗轮机按结构不同，分为悬臂式、门式和桥式三类；按功能不同可以分为取料机、堆料机、混匀取料机、混匀堆料机等。其中，悬臂式斗轮机以工作机构动作灵活、作业范围广和对场地要求相对较低成为目前最为常用的结构形式。俯仰形式采用油缸变幅、整体俯仰[1]。
2 有限元法基本思想
对于大多数工程技术问题，由于几何形状较复杂或者问题的某些非线性特征，很少能得到解析解。这类问题的解决通常有两种途径：一种是简化假设方法，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态的解。这种方法只在有限的情况下是可行，因为过多的简化可能导致不正确的甚至错误的解；另一种方法是数值模拟技术，人们将现代应用数学与力学理论结合起来，借助计算机来获得满足工程要求的数值解。目前常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。作为一种离散化的数值解法，有限单元法首先在结构分析，然后又在其他领域中得到广泛应用。有限元方法的实质是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题；它用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的微分方程求解问题为有限个参数的代数方程组求解问题。有限元分析的基本思想是里兹法加分片近似，用简单的问题代替复杂问题后再求解。有限单元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解[2]。
3 斗轮机结构优化
随着数学理论研究不断深入，结构优化设计涌现出新的方法的同时，也得到持续完善。目前应用比较广泛的结构优化设计方法有以下三大类：数学规划法、最优准则法，仿生学法。数学规划法，针对一般线性约束的简单问题，操作简单，但是局限性较大，不适用较复杂的结构类型。最优准则法，在结构优化设计中，比数学规划法应用更为广泛。因为最优准则法的收敛速度快，效率高，最重要的是需要分析次数与设计变量的多少关系不大，故在大型结构上得到了广泛应用。仿生学优化法仿生学是根据自然界生物的进化特征结合数学理论创建的一类优化方法。仿生学优化设计方法，细分包括源于自然界生物生存法则形成的遗传算法，源于人体大脑神经运行机制所形成的神经网络算法，源于蚂蚁群居生活特征所形成的蚁群算法，模拟金属材料热处理机理形成的退火法，以及青蛙跳跃规律所形成的蛙跳算法等。遗传算法（GA）是一种基于生物遗传理论的优化方法。自然界生物都具有通过遗传或变异的方式，繁衍出适应生存法则的个体的能力。遗传算法是依据自然界物种“相互竞争，优胜劣汰，适者生存”的自然法则，用类似培育适应生存的新种群个体的方法，对原始目标进行优化。在具体使用时，适应性函数，编码机制，选择机制，遗传因子，变异率，交叉率等要素的选取对优化结果至关重要。神经网络算法通过模拟人类大脑神经网络的功能和特点，抽象出来的一种优化方法，神经网络算法是通过大量的神经元的分布式存储以及协同作业而构成的自适应性非线性算法。蚁群算法是模拟蚂蚁在寻找或搬运食物时路线选择，通过抽象其中一些特性获得的一种算法。自然界中的蚂蚁总能寻到回家的最短路径，依据这一特性，抽象出的一种种群寻优的启发式搜索算法。由于蚁群算法具有自组织性、鲁棒性、和并行性以及收敛性强、算法简单、优化全面等特点，所以发展非常迅速。退火法是模拟固体加热和冷却时粒子的形态而创立的一种优化方法。粒子在加热时由于受热不均，内能增大不一而呈无规则运动，而当冷却时却逐渐达到动态平衡状态[3]。
4 结束语
斗轮机的结构强度，刚度，接地力以及整体稳定性均满足设计要求。且门座、立柱，以及平衡架的结构强度，刚度储备合适，而对于前臂架结构，最大应力仅为许用应力的50%，强度储备过大，造成材料浪费的同时，不利于整机的动态稳定性。遗传算法中重要的遗传算子对优化结果影响较大，甚至可能因优化参数的设置的不合理造成优化失败。也正是因为遗传算子取值灵活，印证了遗传算法强大的生命力和巨大的研究价值。
参考文献
[1] 董达善. 起重机械金属结构[M].上海：上海交通大学出版社，2012：117-119.
[2] 孙靖民，梁迎春，陈时锦.机械结构优化设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2016：41-45.
[3] 朱鳌鑫.遗传算法的适应度函数研究[J].系统工程与电子技術，1998，（11）：58-62.