无轨伸缩式门机作为新型吊装机械,采用轮胎式走行机构,可以实现在不同工况下变跨,以满足在不同隧道断面中不同跨度的施工要求,在无砟轨道的铺设过程中发挥着不可替代的作用。当前对无轨伸缩式门机的研究重点主要集中在结构设计与维护上,对设备力学的研究甚少,因此本文将对无轨伸缩式门机进行力学性能分析,并进一步对其进行轻量化设计。以起重量为12t的变跨度无轨伸缩式门机为研究对象,采用有限元软件ANSYS建立其参数化模型,并进行静力学分析,校核结构的强度与刚度。结果显示,门机结构强度与刚度均满足设计要求,且存在较大富余。伸缩支腿滑块(板)作为门机关键受力部件,受力复杂,为了探究伸缩支腿上各个滑块(板)真实受力情况,对各个滑块(板)进行非线性接触分析与节点自由度耦合线性分析,通过分析两种模型计算结果的差异来探讨能否采用线性分析代替非线性接触分析。结果表明:当接触区域存在相对滑动时,选择较大的摩擦系数可使两种模型结果相近;当接触区域相对滑动很小时,两种模型差异不大。由于接触分析在处理接触问题时参数设置复杂,计算效率低,因此,对于精度要求不高的模型,可采用节点自由度耦合分析这种简化方式来代替接触分析,以提高计算效率。门机静力学分析结果表明,门机结构强度与刚度存在较大的冗余,为了充分发挥材料的承载性能,节约制造成本,需对无轨伸缩式门机进行优化设计。以无轨伸缩式门机结构自重、应力、静位移为模型输出响应,在ISIGHT软件中采用最优拉丁超立方方法对门机进行试验设计,筛选出对门机输出响应影响较大的设计变量,利用优选后的设计变量建立门机近似模型,并对门机近似模型进行优化,以改善其静力学性能并降低结构自重。优化结果表明,无轨伸缩式门机重量减轻了23.4%,轻量化效果明显。经确定性优化后的门机各设计参数最优解近乎是约束边界的下限,但门机强度与刚度仍存在较大富余,故提出以Q235钢代替Q345钢作为门机材料。由于确定性优化没有考虑门机受不确定性因素波动的影响,导致无轨伸缩式门机的优化结果可能具有较低的可靠性,为了验证采用Q235钢的门机可靠度,本文将稳健分析技术与6Sigma优化设计技术相结合,对确定性优化后的门机进行稳健分析并进行稳健优化。稳健优化结果表明:与初始无轨伸缩式门机模型相比,经6?优化后门机重量减轻20.1%,且降低了结构对不确定性因素波动的敏感度,大大提升了门机的可靠度与稳健性;与采用Q345钢的门机经确定性优化后的模型相比,当两种模型可靠度均为1时,采用Q235钢比Q345钢门机质量增加295kg,综合考虑门机安全性与制造经济性等因素,可以采用Q235钢代替Q345钢作为门机材料,并以稳健优化后的设计参数值作为门机结构尺寸。