摘要：针对通用门式起重机结构模型的复杂情况，相应的优化算法单一、通用性差、优化效率低。以双梁门式起重机为研究对象，结合当前流行的面向对象技术建立优化类模型库和优化方法库，采用先进的组合优化策略，建立基于组合优化算法的计算机模型，在VC++环境下实现了软件开发。经过测试数据的对比，组合优化算法大幅度提高了起重机优化的准确性和效率。
关键词：门式起重机；结构优化；计算机模型；研究
通用门式起重机（以下简称门机）在港口、货场随处可见，其用途非常广泛。在满足使用性的前提下，对门机结构进行优化设计，可使其质量最轻、用钢材量最少，有效的降低生产成本。
现在的优化算法多种多样，从传统的数值方法到现代 智能算法 各有特点，有的收敛速度快但容易局部最优，能达到全局最优的往往速度较慢。在建立计算机模型时充分考虑各优化方法的特点，建立相对高效的算法模型，并参考软件工程理论，采用面向对象技术，用类、对象、封装来实现算法结构，使优化程序更有通用性，改变以前一对一的优化方式，提高算法的复用性。
1.门机的设计变量X
如图1所示，门机的设计变量分别为：X1主梁盖板宽度；X2主梁腹板高度；X3支腿上截面高度；X4支腿下截面宽度；X5支腿下截面高度；X6下横梁截面高度；X7马鞍截面宽度；X8下横梁最小截面宽度；X9主梁盖板厚度；X10主梁主腹板厚度；X11主梁副腹板厚度；X12支腿盖板厚度；X13支腿腹板厚度；X14下横梁盖板厚度；X15下横梁腹板厚度；X16马鞍盖板厚度；X17马鞍腹板厚度。
2.目标函数min（QX）
以整机质量QX为目标函数，QX由主梁质量2QX（1）支腿质量2QX（2）下横梁质量2QX（3）马鞍质量2QX（4）求和得到，使QX在满足约束的情况下最小。即：min（QX）=min[2QX（1）+2QX（2）+2QX（3）+2QX（4）]，注：2QX（1）是2根主梁的质量，其他类似。
3.约束条件G（X）=1-s/[s] 0
约束包括性能约束和几何约束。性能约束需要满足强度、刚度、稳定性等，几何约束需要尺寸变量满足用户定义的尺寸范围。主要约束有：跨中最大应力；跨中主腹板与翼缘焊缝处最大组合应力；跨中腹板最大剪应力；悬臂根部的最大正应力；悬臂根部腹板与翼缘焊缝组合应力；悬臂根部腹板最大剪切力；主梁跨中静刚度；悬臂端静刚度；跨中动刚度；悬臂端动刚度；门架平面支腿上端截面的强度与稳定性的当量应力；门架平面支腿中部截面的强度与稳定性的当量应力；支腿平面内，支腿中部的强度与稳定性在支腿中部的当量应力；支腿平面内，支腿下部的强度与稳定性在支腿下部的当量正应力；门架平面内的动刚度；衡量最大正应力；下横粱翼缘焊缝的最大组合应力；下横梁腹板中点的最大剪应力；支腿在门架平面内上、下端惯性矩之比；在支腿平面内，支腿上、下端惯性矩之比；除此之外还需要箱形截面高宽比、板的宽比和尺寸上下界等。
4.计算机模型
4.1 类COPT模型
采用面向对象技术，程序由对象+类+继承+通组成。因此建立1个优化类COPT，其包含属性项和操作项。图2是类COPT的基本属性与功能。
图2所定义类名为COPT，类属性值包括了机的特性和优化方法的类型，类操作包括参数输入（原始参数、优化参数、尺寸约束限），优化（可以是选择优化或自动优化，当属性值self=0时，程序根当前属性值自动选择较为适合的优化方法），参数输出（输出为文件或对话框示）
4.2 类COPT消息流程
整个门机优化的实施过程包含用户接口（UI），数据库（DB），消息传递，函数响应等。图3是门机优化系统的数据流程图。
图3中初始参数（变量X）是从DB读取或用户输入，经过输入函数INPUT（）优化函数OPT（）和输函数OUTPUT（）计算后就得出优化变量X0，其中OPT（）是主要优化过程，将细化如下：
IF seta=2，//首先判断属件值，目标函数相府变化
QX=QX（1）+2QX（2）+2QX（3）
IF setb=2
QX=2QX（1）+2QX（2）+2QX（3）
IF setc=2︱︳setc=3
（QX）=QX（1）+QX（2）+2QX（3）
SWITCH self
Case 0：
IF（0 起重量 5︱︳0 跨度 10）//小起重量或小跨度的门式起重机其参数域小
{ 主控函数参数赋值
FHX（）//调用复合型主函数 }
IF，（5 起重量 10︱︳10 跨度 22//中等规模
{ 主控函数参数赋值
MDOD（）//调用MDOD（）求优化}
IF（10 起重量︱︳22 跨度）//采用组台优化
{ 主控函数参数赋值
（MDOD（）//遗传算法+MDOD
Casel：
参数赋值，调用相应优化主控程序
5.组合策略
该优化类采用了组合优化算法，组合算法主要有串行、嵌套、并行等3种结构，串行结构是将1种算法的搜索结果作为另1种算法的起点来对问题进行优化，保证在一定优化质量的前提下提高优化的效率。嵌套结构的组合算法是用1种算法作为另1种算法的1个优化操作或用作搜索性能的评价器，其主要思想是用1种算法的优势弥补另1种算法的不足，来提升算法的全局优化能力。并行结构算法有同步和异步之分，结合通信机使多种算法有机组合。
对于结构复杂或者起重量较大的起重机，可以采用并行组合算法（例如：遗传算法+网格法+MDOD+罚函数法）。算法模型见图4。
图4所示模型的核心是多线程选择算法，该算法采用了多线程通讯机制，首先利用网格法和遗传算法把握全局，迅速缩减可行域的范围；其次，在缩减过程中利用多线程的并行执行和中断来及时比较网格法和遗传算法的可行域；然后，当可行域减小到一定范围时，取出2个可行域的交集部分并传给罚函数和MDOD继续执行，经过多次循环，当达到预设精度后终止；最后比较罚函数和MDOD的解和目标函数值。
6.实例测试
以起重量160t，跨度65m，悬臂21m的双梁A型腿门机为例测试，用组合算法和单一算法进行计算测试比对，结果显示：组合算法的优化时间大大缩减，并能避免陷入局部最优解。基本能得到全局最优解，测试数据如表1所示。
表1 门机测试数据