门式混凝土浇灌机是一种大型的混凝土浇灌设备,主要用于道路、机场、城市等基础设施建设中大面积混凝土浇灌作业。该机采用不同行走轮组时,能够在路面及轨道上运行,可适用于不同的工作环境,相比人工和普通混凝土浇灌机具有极高的工作效率和优势。为了保证浇灌机结构的可靠性,降低设备制造成本,对门式混凝土浇灌机结构进行了抗倾覆稳定性计算、模态分析、静力学计算和优化设计。门式混凝土浇灌机工作环境在户外,受天气、施工场地等因素影响较大。为了保证设备的稳定性,采用力矩法对浇灌机在空载及满载运行状态承受最大工作状态风载荷和空载承受最大非工作状态风载荷下的稳定性进行校核计算,同时计算了浇灌机在坡道上匀速运行时横向和纵向的最大倾覆角。计算结果表明,浇灌机在不利载荷工况下的计算力矩代数和均大于零,故门式混凝土浇灌机具有较强的稳定性。浇灌机在坡道上匀速运行时,纵向最大失稳角度为51.1,横向最大失稳角度为19.2°,故禁止门式混凝土浇灌机在极限坡道上运行。采用有限元软件ANSYS分析了门式混凝土浇灌机结构的力学性能和振动特性,计算了浇灌机在满载状态下结构的刚度、满载状态下考虑工作状态最大风载荷,动载荷和惯性力时的结构强度、空载状态下考虑非工作状态最大风载荷时的结构强度。并对浇灌机结构进行了模态分析,提取了前5阶固有振动频率和振型。计算结果表明,浇灌机结构的刚度和强度均小于许用值,因此,门式混凝土浇灌机满足设计要求。为防止设备产生共振,浇灌机在工作状态下应避开设备的固有振动频率。门式混凝土浇灌机有限元计算结果表明,机身结构的刚度、强度有较大的富余量。为了减少结构自重,提升设备性能,采用有限元软件ANSYS和多学科优化软件ISIGHT联合仿真的方法对门式混凝土浇灌机结构进行优化设计。首先构建有限元参数化模型,定义设计变量参数,然后将参数化模型导入ISIGHT软件中通过拉丁超立方法进行试验设计,筛选出对设备影响较大的设计变量,最后在ISIGHT软件中构建响应面近似模型并对每个样本点进行计算,采用多岛遗传算法对计算结果寻优。优化结果表明,门式混凝土浇灌机结构质量减少了3979kg,与优化前质量相比自重降低了16.7%,因此,优化设计对门式混凝土浇灌机结构的设计有重要的参考价值。确定性优化设计未考虑各类载荷和材料属性等干扰因子的影响,为了验证确定性优化后门式混凝土浇灌机的可靠性,对优化后的结构进行了6 Sigma质量分析。分析结果表明,确定性优化后浇灌机工况2和工况3的6 Sigma水平均为3.09,对应的可靠度为0.998,结构可靠性较低,故有必要对其进行可靠性优化设计。首先将不确定性因素引入初始设计变量中,然后对结构进行6 Sigma质量优化设计。优化结果表明,6 Sigma质量优化后的浇灌机各工况6 Sigma水平均为8.0,可靠度近似为1.0,故采用6 Sigma质量优化设计的门式混凝土浇灌机具有较高的可靠性。优化后的浇灌机质量减少了3088 kg,与优化前质量相比自重降低了12.96%。