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摘要：履带起重机臂架结构设计方面，还要采用先进的科学技术方法完成结构优化设计，以提高起重机设计水平。基于这种认识，本文采用粒子群算法实现臂架结构的优化设计，以实现臂架结构的轻量化设计。
关键词：履带起重机臂架结构；粒子群优化算法；有限元分析方法
1履带起重机臂架的结构分析
对臂架结构进行分析可以发现，其采用的是空间弦杆桁架式结构，利用滑轮组进行变幅。从臂架受力情况来看，在危险截面上，臂架将受到变幅拉索力、起升载荷、绳拉力和自重等力的合力作用[1]。在回转平面上，臂架将受到惯性力、风力和偏摆力等力的侧向集中力作用。
2履带起重机臂架结构的优化设计
2.1优化设计的概念
在履带起重机设计的过程中，臂架结构设计至关重要，需要根据经验完成结构方案和尺寸的选择，然后进行结构性能校正。就目前来看，在优化设计方面，能够采用的算法有较多，就是要结合设计对象的数学模型特点及各种算法的优缺点，在一定的适用范围内进行合理算法的选取。
2.2优化设计方法
履带起重机臂架结构的设计，可以利用一组基本参数数值确定，进行优化设计，就是为了获得设计变量的最优组合。根据各设计变量间关系，可以得到反映关系的表达式，即目标函数，可用于完成问题好坏的评价，并且能够完成变量的计算。在优化设计中，还要重点确定目标函数，以确保优化设计质量和优化速度，需按照固定准则建立函数。在问题解决目标相互矛盾时，则要以主要目标为目标函数，其余指标为约束条件。
根据履带起重机臂架结构的数学模型可知，模型求解问题为多变量、非线性和多约束的问题，需要利用粒子群算法进行求解。求解臂架结构优化问题，采用粒子群算法可以更加简洁的完成问题求解，无需进行原本设计参数的调整，同时还能在早期进行快速收敛，所以能够简化相关问题。所谓的粒子群算法，其实就是群体智能全局随机搜索算法，能够从随机解的角度着手，采用迭代的方法完成复杂空间中全局最优点的寻找。
2.3优化模型的建立
在对臂架结构进行优化设计时，设计目标即实现臂架结构轻量化，需要在满足各种约束条件的基础上，使臂架重量保持最轻。由此可得，优化目标函数minf（x）=*ρg。由于臂架种由四根弦杆、各平面腹杆和加强版构成，所以能够利用各构件体积乘以刚才密度完成重量计算。
2.4优化模型的求解
在优化模型求解方面，考虑到模型求解过程相对繁复，还要利用VC++6.0软件开发平台进行粒子群优化程序的编写。考虑到粒子群算法在后期迭代容易出现陷入局部最优解的问题，还要以粒子群算法为主体完成程序编写时，进行算法的适当改动，以获得全局最优解[4]。
3履带起重机臂架结构优化设计的有限元分析
3.1有限元分析方法
所谓的有限元分析方法，其实就是利用简单问题进行复杂问题替代，从而进行问题求解的一种数值方法。目前在各种复杂工程问题的结算上，该种方法都得到了运用。采用该方法，可以对连续几何体进行离散，从而得到多个有限单元、在各单元中完成有限节点段的设置，可以通过节点连接构成集合体，将复杂连续体转化为一组单元的组合结构[5]。通过假定各单元近似解，则能完成总的满足条件的求解。在利用有限元方法完成问题分析时，越细的进行模型划分，就能得到更接近准确值的近似解，从而使问题得到更好的解决。就目前来看，经常得到采用的有限元分析方法包含力法、位移法和混合法三种，前两种分别用于解决内力问题和节点位移问题，最后一种可用于进行不同未知量的求解。
3.2有限元分析模型
在分析履带起重机臂架结构设计问题时，采用有限元分析法需要建立相应的结构实体模型。而就目前来看，在模型建立方面，通常会采用有限元分析软件。目前，可以采用的有限元分析软件包含ANSYS、NASTRAN和SPA等多种，ANSYS应用范围最广，能够解决力学、热力学、电磁学等多个领域的问题。实际运用该软件，需要先完成求解参数设置，然后定义单元类型、材料特性等参数。利用软件，可以直接建立模型，也能与三维软件连接进行模型建立。针对模型，需要结合臂架结构情况和经验划分网格，以便将几何模型转化为有限元模型。在模型求解上，需要根据施加载荷和计算相应进行分析类型的选择，如模态分析、静态分析等。根据边界条件添加约束，则能得到模型分析结果。针对静态和动态问题结果，需要分别利用POST1和POST26进行处理，以实现结果显示。
在臂架结构模型建立上，还要利用Pro/e软件进行三维图形的绘制，然后将绘制结果导入有限元分析软件，并利用APDL语言进行参数化设计和报价结构的二次开发。具体来讲，就是要在系统中进行前处理模块、结果处理模块和求解模块等模块的加载，得到相应的宏文件。而在臂架吨位和工况发生改变时，通过调用文件，则能完成不同设计参数的输入，并完成模型的求解。建立有限元模型后，需要对模型进行适当简化，以确保得到精确的分析结果。
3.3模态分析结果
在履带起重机运行的过程中，臂架除了需要承受固定载荷施加的作用力，还要承受动载荷施加的力。在这一阶段，臂架会产生振动，一旦遇到拥有相近频率的动载荷作用，容易出现结构稳定性受共振破坏的情况。想要确定结构设计能否满足稳定性要求，还要对结构进行模态分析，即确定结构固有频率、阻尼比等参数。利用有限元分析软件进行分析，需完成模态分析类型、提取方法、阶数、扩展模态等参数的定义，然后通过求解模型得到各阶模态固有频率，并对振型展开分析，以确定结构的稳定性。在对臂架结构进行分析时，根据桥机满载许用基频可知，起重机基频至少应达到2Hz。而从臂架结构模态分析结果来看，其一阶振动发生在回转面臂架根部，频率为2.4Hz，能够满足基本设计要求。在二阶和三阶模态下，臂架振动分别发生在变幅面臂架根部和回转面内，后续阶段模态下的振动则发生在变幅面内。
通过采用有限元分析软件对履带起重机臂架结构优化设计结果进行分析可以发现，采用粒子群算法实现臂架结构的优化设计，得到的设计结构无论是在静载荷作用下还是动载荷作用下，都能够满足臂架结构设计刚度、强度和稳定性设计要求，因此得到的优化设计效果具有一定的实用价值。
结论
通过分析可以发现，采用粒子群算法进行臂架结构的优化设计，能够解决臂架结构设计变量和约束繁琐的问题，所以能够为履带起重机设计提供便利。而采用有限元分析方法对结构设计结果展开分析，则能解决大量数据的运算问题。从有限元分析结果来看，采用粒子群算法完成臂架结构优化设计，能够在不同的工况条件下满足臂架结构设计刚度、强度和稳定性设计要求。因此，采用有限元分析方法，能够对工程设计新方法的有效性进行验证，从而为工程设计提供保障。
参考文献：
[1]杨继宏，梁存德.履带起重机臂架系统参数化有限元建模及分析平台的研究[J].起重运输机械，2012，（05）：22-24.
[2]王振兵，李艾民.100t伸缩臂履带式起重机臂架结构设计和优化分析[J].计算机辅助工程，2012，21（04）：16-18+22.
[3]聂勇军，廖启征.基于iSIGHT的桁架结构优化设计[J].煤矿机械，2011，32（02）：32-34.
[4]王永强，孟广伟，丁美莲等.大型履带起重机车架轻量化设计[J].建筑机械，2011，（13）：88-91+97.