桥式起重机广泛应用于装备制造业、运输业等国民支柱产业,在现代生产中占据重要地位。当前国内生产起重机械需要的原材料多,能耗大,起重机整体偏重,材料没有被完全利用,对桥式起重机优化以实现自重轻,性能优的目标迫在眉睫。在起重机的组成中,金属结构属于重要部分,重量比重大,且在起重机金属结构中,主梁占据了大部分的重量,因此对金属结构的主梁进行优化设计,能够显著减小起重机整体自重。目前利用尺寸优化和形状优化方法,对起重机主梁金属结构的研究较多,但利用拓扑优化方法研究主梁的理论很少,所以本文主要基于拓扑方法,对桥式起重机的金属结构进行轻量化设计,这对于推动我国起重机械向轻量化、节能型方向发展具有重要的研究意义。本文是在国家支撑计划“桥式起重机械轻量化共性技术研究”(课题编号为:2015BAF06B01)资助下完成。研究了以下方面的内容:(1)以某一型号的双梁偏轨桥式起重机为例,分别利用HyperMesh和ABAQUS仿真软件对该型号的桥式起重机主梁金属结构进行建模和仿真分析。有限元分析结果显示,该主梁金属结构材料利用率较低,存在较大的优化空间。(2)采用拓扑优化方法中的变密度法和可移动变形组件法(MMC),对主梁金属结构的副腹板在典型的三种工况下进行拓扑优化,拓扑结果分别得到斜十字交叉形状和三角形形状的新结构,为新型主梁的设计提供了方向。(3)根据拓扑结果和可行的加工工艺等方面设计新的主梁金属结构。对新结构建模,并进行有限元优化分析,结果显示新的主梁金属结构达到了起重机设计的要求,重量比原主梁减少了1.7t,减重26.56%,减重明显。(4)制定新型主梁金属结构试验方案,对新型主梁结构进行样机测试。分析新型主梁金属结构试验结果,与有限元结果对比,误差均在允许的范围之内,证明了新型主梁金属结构的合理性。