Оптимизация конструкции телескопических стрел автокранов для снижения металлоемкости
Ключевые слова:
телескопические стрелы, оптимизация конструкций, снижение металлоемкости, топологическая оптимизация, композитные материалы, автокраны, метод конечных элементовАннотация
Настоящее исследование посвящено разработке комплексной методики оптимизации конструкции телескопических стрел автокранов с целью снижения металлоемкости при сохранении эксплуатационных характеристик. В работе применен комбинированный подход, включающий топологическую оптимизацию, метод конечных элементов и многокритериальную оптимизацию с использованием генетических алгоритмов. Эмпирическая база исследования включает анализ конструктивных параметров телескопических стрел грузоподъемностью 80-300 тонн, экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии под различными нагрузками и результаты численного моделирования в программном комплексе ANSYS Workbench. Основные результаты показывают возможность снижения металлоемкости на 18,7% за счет применения адаптивной топологической оптимизации, уменьшения массы конструкции на 14,2% при использовании композитных материалов в критических зонах и повышения коэффициента использования материала до 0,87 против исходных 0,73. Разработанная методика позволяет достигать снижения удельного расхода стали до 12,3 кг/т грузоподъемности при соблюдении всех требований прочности и устойчивости. Практическая значимость исследования заключается в возможности применения предложенных решений для модернизации существующих и создания новых конструкций телескопических стрел с улучшенными массогабаритными характеристиками, что способствует повышению конкурентоспособности отечественной крановой техники на мировом рынке.Библиографические ссылки
Aribowo A., Adhynugraha M.I., Megawanto F.C., Hidayat A., Muttaqie T., Wandono F.A., Nurrohmad A., Chairunnisa, Saraswati S.O., Wiranto I.B., Al Fikri I.R., Saputra M.D. Finite element method on topology optimization applied to laminate composite of fuselage structure // Curved and layered structures. 2023. Vol. 10. № 1. Art. 20220191.
Augustyn M., Barski M., Chwał M., Stawiarski A. Experimental and numerical estimation of the aerodynamic forces induced by the wind acting on a fast-erecting crane // Applied sciences. 2023. Vol. 13. № 19. Art. 10826.
Chan T.C., Ullah A., Roy B., Chang S.M. Finite element analysis and structure optimization of a gantry-type high-precision machine tool // Scientific reports. 2023. Vol. 13. Art. 13006.
El Khadiri I., Zemzami M., Nguyen N. Q., Abouelmajd M., Hmina N., Belhouideg S. Topology optimization methods for additive manufacturing: a review // International journal for simulation and multidisciplinary design optimization. 2023. Vol. 14. Art. 12.
Habashneh M., Movahedi Rad M. Optimizing structural topology design through consideration of fatigue crack propagation // Computer methods in applied mechanics and engineering. 2024. Vol. 419. Art. 116629.
Li J., Zhang X., Wang Y., Liu H., Chen Z. A boom damage prediction framework of wheeled cranes combining hybrid features of acceleration and Gaussian process regression // Mechanical systems and signal processing. 2024. Vol. 187. Art. 109935.
Liu J., Zhang X., Wang Y., Chen H., Li L. Optimization design of curved outrigger structure based on buckling analysis and multi-island genetic algorithm // PLoS ONE. 2023. Vol. 18. No. 8. Art. e0289357.
Lv J., Fan R., Zheng X., Xie W., Ma Y., Liu Y. Finite element analysis of the telescopic boom with single cylinder and pinning system for Gantry crane // Proceedings of SPIE. 2023. Vol. 12639. Art. 1263920.
Qi Q., Xu H., Xu G., Dong Q., Xin Y. Comprehensive research on energy-saving green design scheme of crane structure based on computational intelligence // AIP Advances. 2021. Vol. 11. № 7. Art. 075314.
Qi Q., Yu Y., Dong Q., Xu G., Xin Y. Lightweight and green design of general bridge crane structure based on multi-specular reflection algorithm // Advances in mechanical engineering. 2021. Vol. 13. № 10. Art. 16878140211051220.
Solazzi L. Feasibility study of a very big crawler crane using composite materials // Composites Part C: Open access. 2024. Vol. 13. Art. 100430.
Suvorov V., Vasilyev R., Melnikov B., Kuznetsov I., Bahrami M.R. Weight reduction of a ship crane truss structure made of composites // Applied sciences. 2023. Vol. 13. № 15. Art. 8916.
Wang C., Xing B. Optimization of crane telescopic boom structure based on finite element software // SAE International journal of materials and manufacturing. 2023. Vol. 16. № 2. Art. 189201.
Yang W., Wang L., Hu Y., Sanjayan J., Ma G. An integrated topology optimization method including manufacturing constraints for 3D printed fiber-reinforced concrete structures // Materials letters. 2024. Vol. 355. Art. 135442.
Zhang H., Ge X., Li Y., Wang Z., Liu J. Lightweight design of excavator working device based on automatically generated surrogate model // Scientific reports. 2024. Vol. 14. Art. 29756.
