一：概述
1.1門式起重機使用現狀分析
起重機是現代工業企業中實現生產過程自動化，機械化、提高勞動生產率的重要工具和裝置。隨著現代工業發展、生產規模的擴大以及自動化程度的提高，作為物料搬運重要裝置，它在現代化生產過程中的作用越來越大、應用越來越廣。門式起重機是橋式起重機的一種變形。
在港口，主要用於室外的貨場、料場貨、散貨的裝卸作業。它的金屬結構像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。門式起重機具有場地利用率高、作業範圍大、適應面廣、通用性強等特點，在港口貨場得到廣泛使用。
門式起重機產品特點：
1、可靠性，安全性高
2、易於維護
3、無需改變廠房結構，滿足物流需求
1.2國外起重機的特點和發展趨勢
近年來，隨著世界銷售市場對起重機需求量的不斷增加，國外各起重機廠家大多採用優化設計等現代設計手段以提高設計效率。有關資料表明，美國、德國、日本等一些起重機公司都正在使用ansys技術進行優化設計，徹底拋棄了傳統的圖版。
國外起重機運輸機械發展到今天，已經到了比較成熟的地步，其結構形式基板上都是經過反覆優化設計，並經過時間檢驗的。隨著計算機技術的廣泛應用，許多國外起重機製造商應用計算機輔助設計系統，以及模組化設計方法，盡量使用標準件裝置迅速組合和安裝，減少標準件外組合部分的加工製造。組合構件的使用對生產非標準件起重機來講，有助於減少成本。
當前，國外起重機特點和發展趨勢有三大特徵：
1） 系列產品模組化、組合化合標準化
2） 起重機的大型化、高速化和專用化
3） 起重機效能自動化、智慧型化和數位化
通過這些方法和過程，優化設計，以減輕起重機自重，從而節省成本。
1.3國內起重機設計現狀及存在的問題
1.設計手段不完善、與先進技術結合較少
目前我國起重機設計手段欠完善，正在研究與先進技術結合的人不少，但需要時間慢慢引進、消化、吸收。雖然我們現在起重機設計水平與國外有一定的差距，但我國**現在也開始注重技術的提高與鼓勵，所以我相信隨著不久的將來我國的配套力量的提高，我們必定可以完成自主創新、增加產品價效比，提高企業核心競爭力。
2.設計效率太低、通用性較差
長期以來，起重機設計利用圖版手工設計製圖，需要較長的設計週期。而且由於設計及工業原因，國內製造的起重機交貨期約為國外先進企業的兩倍，效率較低，遠遠不能適應市場經濟競爭的要求，使企業失掉了不少機遇。一些起重機製造商對於成系裡、成批量的通用起重機產品，為了降低成本，簡化生產管理，通用化設計現在只做到對車輪組、滑輪組、捲筒組和聯軸器的通用化設計，對於執行機構、小車架，仍只能按不同起重重量設計，橋架端梁則按不同起重量，不同小車軌距多款設計，對橋式起重機的設計不能使整機與機構，機構與部件、部件與零件之間的引數合理匹配。
3.設計進行模擬，工藝水平較低
在起重機的設計過程中，一方面由於其產品相對定型，根據《起重機設計手冊》中推薦的尺寸進行選擇，一般工廠設計不做計算，當有相近引數起重機需求時，則選擇模擬放大，導致截面尺寸變得越來越大，從而起重機的質量、大車驅動機構、廠房基礎投資增大，造成很大浪費。隨著起重機向大噸位、高引數、低雜訊、小震動及輕型化方向的不斷發展，原有定型產品越來越不能適應當前要求，市場需要效能優良，經濟性好的橋式起重機。另一方面，由於國內企業，普遍缺乏生產技術，工藝水平較低，一些起重機生產企業的工裝裝置、裝配及檢測手段比較落後，油漆及焊接工藝部過關，較為粗糙，嚴重影響了起重機的質量。
4.專業化寫作水平、通用化設計水平較低
目前，我國專業化協作目前只做到20%，80%扔靠企業自己設計、製造哦。一台起重機中只有電動機、減速器、制動器及一些電器元件可外購，其他鉚焊件、機加工件、主梁、車輪組、端梁、小車架仍靠企業自行設計，這樣需花費大量的時間，影響了起重機的生產週期。
1.4門式起重機結構優化設計的目的與意義
通過門式起重機結構的優化設計，是我們了解門式起重機的工作眼裡、構造和工作過程，在完成門式起重機的結構優化的方案論證到總體設計、技術設計和詳細設計的過程中，在設計、計算、工程製圖等諸方面得到綜合訓練，提高學生綜合分析、解決問題的能力，初步掌握機械裝置的分析設計技術。要求我們詳細了解門式起重機的工作原理、結構和工作過程：在充分掌握有關材料的基礎上，對門式起重機結構的原型進行力學分析，然後採用結構優化軟體ansys對門式起重機結構進行優化設計，從而找出乙個提高門式起重機工作效率，同時又減少成本而又保證可靠性的可行辦法。
二：門式起重機的結構、工作原理，工作過程和工況
門式起重的廣泛應用於各種工礦企業，交通運輸及建築施工等部門的露天倉庫、貨場、車站、碼頭、建築工地等場所，作為裝卸與搬運貨物、裝置及建築結構件安裝等用。門式起重機是減輕笨重體力勞動，提高作業效率，實現安全生產的起重運輸裝置，可在一定範圍內垂直起公升和水平移動物品，具有動作間歇性和作業迴圈性的特點，根據門式起重機的門框結構形式不同，可分為1.全門式起重機：
主梁無懸伸，小車在主跨度內進行。2.半門式起重機：
支腿有高低差，可根據使用場地的土建要求而定。3.雙懸臂門式起重機：
最常見的一種結構形式，其結構的受力和場地面積的有效利用都是合理的。 4.單懸臂門式起重機：
這種結構形式往往是因場地的限制而被選用。按主梁結構形式分類可分為單住梁門式起重機和雙梁式起重機。按不同用途分為通用門式起重機、水電站龍門起重機、造船龍門起重機、貨櫃龍門起重機。
門式起重機主要由門架、小車、大車執行機構、操縱室、電氣裝置、軌道和夾軌器等部分組成。門式起重機的門架由主梁、左右支腿及橫樑構成，與橋式起重機相比，門式起重機的主要特徵是在橋架的一端或兩端設有支腿，可直接製成在地基上或沿鋪設在地面上的軌道進行，故稱其為帶腿的橋式起重機。由於門式起重機可帶懸臂，貨物吊運和換裝方便，不需要占地多、造價高的橋墩，場地面積能充分利用，因此在貨場的貨物裝卸中，門式起重機比橋式起重機具有更多的優點。
起重機的執行機構主要由電動機、聯軸器、制動器、減速器、車輪組等零部件組成。驅動形式有自行式和牽引式。自行式適用於大、小車執行機構，而牽引式用於某些起重機的小車執行機構。
起公升機構用來垂直公升降物品，起重小車用來帶著載荷作橫向運動；橋架和大車執行機構用來將起重小車個物品做縱向移動，以達到在跨度內和規定高度內組成三維空間裡作搬運和裝卸貨物。電動機通過聯軸節與減速器的高速軸相連。機構工作時，減速器的低速軸帶動捲筒，將鋼絲繩捲入或放出，經過滑輪系統，使吊鉤實現上公升或下降。
機構停止工作是，制動器是吊鉤連同貨物懸吊在空中，吊鉤的公升降哦電動機改變轉向來達到。
三：門式起重機結構設計計算的基本內容和方法
起重機的執行機構也可以分為執行支承裝置與執行驅動裝置兩大部分。執行支承裝置用來承受起重機的自重和外載荷，並將所有這些載荷傳遞給軌道基礎建築，主要包括均衡裝置、車輪與軌道等。執行驅動裝置用來驅動起重機在軌道上執行，主要由電動機、減速器、制動器等組成。
執行機構的計算是在給定了設計引數，並將機構布置方案確定後進行的。通過計算，選用機構中所需要的標準部件。
當起重機沿直線軌道穩定執行是，總靜阻力由摩擦阻力、坡道阻力和風阻力三種阻力組成。其中摩擦阻力是最主要的阻力，而風阻力只有當起重機在室外工作才有，而門式起重機以戶外工作為主，風阻力也應該進行計算。
我們現在主要研究的是起重機金屬結構的各種載荷的計算，主要由自重載荷計算、起公升載荷計算、水平慣性載荷計算、風載荷計算和其他載荷計算等。其中自重載荷計算和風載荷計算式最最基礎的載荷計算。
1. 自重載荷計算
在金屬結構設計之前，自重尚未知道，必須預先給出。由於結構和機電裝置的自重遠遠超過起公升載荷，例如門式起重機的自重約為起公升載荷的8~25倍，金屬結構自重在起重機總重中佔比例非常大，因此，金屬結構自重載荷的正確估計和計算十分重要。
在資料很少時，我們可以根據一些經驗公式初步確定金屬結構的自重。這些公式雖然近似，蛋大多簡歷在大量統計資料和分析基礎上的，有一定實用價值。
q800kn的箱形龍門起重機，上部主梁和支腿總重，可以用下式：
g=5其中 q—起重量（kn）；
—吊鉤最大起公升高度（m）;
—上部主梁總長度（m）。
2. 風載荷計算
露天工作的起重機金屬結構應考慮風載荷的作用。視風載荷的可能作用於任意方向的水平載荷。對我們所討論的常用起重機，只計算風壓的靜力作用，不考慮風壓的動力效應。
按照起重機在一定風力下能否正常工作，把作用於起重機金屬結構的風載荷分為工作狀態的風載荷和非工作狀態的風載荷兩類。工作狀態的風載荷是起重機金屬結構在正常工作情況下所能承受的最大計算風壓；非工作狀態的風載荷則是起重機金屬結構不工作時所能承受的最大計算風壓。
工作狀態和非工作狀態的風載荷按下式計算：
其中 c—風力係數
— 分壓高度變化係數
— 風振係數（常用=1.0）
a— 結構或物品垂直於風向的迎風面積
q— 計算風壓
q— 計算風壓的計算公式 q=0.163
而對於風壓高度變化係數
起重機金屬結構離地面越高，風速越大，風壓也回相應的增大，這是客觀規律。為簡化計算，大多數國家對起重機的工作狀態計算風壓取定值，不考慮高度變化係數。
所有起重機非工作狀態計算風壓，因其數值 ，均應考慮高度變化係數。任意高度風壓值以離地10m高處的風壓為基準，高於10m的高度變化係數按此試計算： =
其中 a—指數，陸上近似取0.3，海山可取0.2
風壓高度變化係數可由表查。
風力係數c
風力係數與金屬結構的外形、集合尺寸等有關。常用起重機單片結構和單根元件的風力係數可查。
迎風面積a
並列箱形機構的取值a=+
—前面一排結構的迎風面積， =
—後一排的結構迎風面積， =
—前排結構對後排迎風面積的擋風折減係數，它與前排結構的充實率及兩排結構的間隔比有關，桁架式金屬結構都得擋風折減係數可查。
這兩個載荷計算是最主要的的金屬結構載荷計算，對於所有門式起重機這些計算是最最基礎的。
門架由2根主梁4個支腿、拱架、端梁、下橫樑、梯子走臺、欄杆、小車導電架等組成。通常又把門架分成上部橋架（即主梁、端梁和拱架）以及下部支腿和下橫樑兩部分。主梁與支腿以及支腿與下橫樑之間用螺栓連線，主梁採用偏軌箱型，帶雙懸臂，因運輸超長主梁分段，用高強度螺栓鏈結。
小車導電架裝在主梁一側的走台上。
門架結構示意圖如下，詳情引數見原圖紙。
四：ansys結構優化的基本步驟
優化設計是一種尋找確定最優設計方案的技術。所謂「最優設計」，指的是一種方案可以滿足所有的設計要求，而且所需的支出（如重量，面積，體積，應力，費用等）最小。也就是說，最優設計方案就是乙個最有效率的方案。
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