大吨位铁路起重机梨形伸缩臂设计及其非线性问题研究

发布时间：2017-04-10 10:26

  本文关键词：大吨位铁路起重机梨形伸缩臂设计及其非线性问题研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：伸缩臂是铁路起重机至关重要的组成部分,作业时载荷直接作用其上,因而对该部分的计算合理与否显得尤为重要。梨形截面伸缩臂代表了当前伸缩臂制造工艺的先进水平,同时,符合伸缩臂大吨位、大起重力矩的发展趋势,探究其设计计算方法、模拟其真实接触情况下伸缩臂与滑块上应力分布都具有现实意义。本文从企业级用户的角度出发,发挥C#.NET界面友好、操作性强和MATLAB对复杂庞大数据计算能力强的特点,开发出了伸缩臂的统筹设计计算软件,该软件能高效地进行伸缩臂长度、危险工况筛选、危险工况下载荷计算和材料性能计算工作,操作非常简单、效率高。根据该软件的运行结果,在具有强大的非线性分析功能的有限元软件ABAQUS中建立梨形截面伸缩臂的实体模型,设置伸缩臂与滑块间的接触相互作用,为提高非线性模型收敛性,细化接触区域网格,同时,采用参考点与周围区域运动耦合进而设置参考点之间为铰接连接的方法,来模拟伸缩油缸与伸缩臂的铰接相互作用。为进一步促进接触非线性收敛,分步施加外部载荷。经过多次迭代计算,ABAQUS给出了梨形截面伸缩臂的接触有限元分析结果。结果显示：对于梨形截面伸缩臂：(1)下槽板底部与唇口滑块前端接触处应力最大；(2)上槽板的倾斜板与尾部滑块棱边接触处是易产生应力集中的区域。对于滑块：(1)在两种工况下,二节臂唇口滑块的应力分布规律是不一致的。危险工况1时,二节臂唇口滑块应力呈现“前(+Z)小后(-Z)大”的分布规律：危险工况2时,该滑块呈现相反的“前(+Z)大后(-Z)小”的应力分布规律；(2)基本臂唇口滑块的唇口端的尖角处、二节臂尾部滑块的尾部圆弧过渡区的棱边上是应力集中的区域。该区域的应力值突破了材料屈服极限,发生塑性变形,应研究滑块弹塑性接触下的应力分布规律。塑性问题是结构力学三大非线性问题之一,分析该类问题的关键在于合理设置材料的弹塑性本构模型。对于本文滑块局部小应变塑性问题,采用双线性应力-应变曲线描述滑块材料的拉伸试验应力、应变数据。采用各向同性强化法则描述材料进入塑性后随载荷变化的进一步反应,经过多次迭代计算,ABAQUS给出了滑块弹塑性接触下的滑块应力分布。滑块弹塑性接触有限元分析结果显示,塑性材料的强化作用大大降低了滑块塑性变形区域的应力,材料进入塑性状态后,应力增加变得缓慢起来。然而,对比材料弹性有限元分析结果,滑块塑性变形并未对伸缩臂应力分布造成过多影响,这一影响在一定条件下甚至是可以忽略的。同时,塑性区域分布显示：塑性变形区域较小,说明滑块依然可以正常工作,大大提高了材料的利用率。为使优化结果更具实用价值,本文模拟伸缩臂的真实工作情况,同时考虑滑块接触非线性和材料非线性对梨形截面伸缩臂进行轻量化设计。本文利用正交实验表选出的样本(设计变量的组合),具有“均匀分散、齐整可比性”的优点,该方法在最大限度地节约计算成本的同时也保证了结果的准确性。利用LM-BP神经网络超强的非线性拟合能力和通过ABAQUS补充后的样本,经过39次学习,LM-BP神经网络就达到了训练精度。使用GA方法在LM-BP神经网络构建出的非线性关系中寻优。为便于制造,对优化得到的设计变量(伸缩臂板厚组合)进行了圆整。将圆整结果输入ABAQUS软件后的验证结果显示：基于LM-BP网络和GA的梨形截面伸缩臂优化方法是成功的。
【关键词】：铁路起重机 梨形截面 伸缩臂 接触非线性 弹塑性 LM-BP神经网络 遗传算法
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH218
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景及意义13-17
• 1.1.1 中国铁路运输发展概况13-14
• 1.1.2 铁路救援起重机发展概述14-16
• 1.1.3 伸缩臂研究现状16-17
• 1.2 伸缩臂的截面型式17-18
• 1.3 伸缩臂中存在的非线性问题18-19
• 1.3.1 接触非线性问题18-19
• 1.3.2 材料非线性问题19
• 1.4 本文主要研究内容19-21
• 第2章 梨形截面伸缩臂方案设计及相关计算21-38
• 2.1 梨形截面尺寸设计21-22
• 2.2 伸缩臂长度设计22-24
• 2.3 伸缩臂计算工况的确定24-25
• 2.4 伸缩臂载荷计算25-27
• 2.4.1 危险工况1下载荷计算26-27
• 2.4.2 危险工况2下载荷计算27
• 2.5 材料选用与计算27-29
• 2.5.1 伸缩臂材料选用与计算27-28
• 2.5.2 滑块材料选用与计算28-29
• 2.6 基于C#.NET与MATLABe笊靱.臂统筹设计计算软件29-37
• 2.6.1 C#.NET 与 MATLAB 的特点29
• 2.6.2 伸缩臂统筹设计计算软件开发29-37
• 2.7 本章小结37-38
• 第3章 基于ABAQUS的梨形截面伸缩臂滑块接触分析38-55
• 3.1 接触问题的有限元方法概述38-41
• 3.1.1 非线性问题的数值求解方法38-39
• 3.1.2 接触面的边界条件39-41
• 3.1.3 接触问题的罚函数法41
• 3.2 基于ABAQUS的梨形截面伸缩臂接触分析41-46
• 3.2.1 梨形截面伸缩臂实体建模与材料属性定义42-43
• 3.2.2 接触相互作用及约束施加43-44
• 3.2.3 伸缩臂网格划分与载荷分步施加44-46
• 3.3 有限元分析结果46-54
• 3.3.1 伸缩臂有限元分析结果46-52
• 3.3.2 伸缩油缸推力时间历程52
• 3.3.3 滑块有限元分析结果52-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 梨形截面伸缩臂弹塑性接触有限元分析55-74
• 4.1 塑性力学问题的求解方法55-63
• 4.1.1 滑块材料的基本假设55
• 4.1.2 偏应力张量、球应力张量和偏应变张量55-57
• 4.1.3 Mises屈服准则与加载面57-61
• 4.1.4 增量应力-应变关系61
• 4.1.5 弹塑性模型61-63
• 4.2 ABAQUS求解弹塑性问题方法概述63
• 4.3 滑块材料的弹塑性模型及其单元选取63-64
• 4.3.1 滑块材料的弹塑性模型63-64
• 4.3.2 在弹塑性接触分析时滑块的单元选取64
• 4.4 基于ABAQUS的梨形截面伸缩臂弹塑性接触有限元分析64-72
• 4.4.1 滑块弹塑性接触有限元分析结果64-69
• 4.4.2 滑块塑性区域分布69-70
• 4.4.3 滑块弹塑性变形结果70
• 4.4.4 梨形截面伸缩臂弹塑性接触有限元分析结果70-72
• 4.5 本章小结72-74
• 第5章 考虑滑块弹塑性接触的梨形截面伸缩臂优化设计74-84
• 5.1 优化数学模型建立74-75
• 5.2 优化方法设计75-78
• 5.2.1 正交实验设计75-77
• 5.2.2 LM-BP神经网络设计77-78
• 5.2.3 GA(遗传算法)设计78
• 5.3 基于LM-BP神经网络和遗传算法的梨形截面伸缩臂优化设计78-79
• 5.4 最优个体圆整及其伸缩臂有限元分析79-83
• 5.4.1 伸缩臂强度校核80-81
• 5.4.2 滑块强度校核81-82
• 5.4.3 伸缩臂刚度校核82-83
• 5.5 本章小结83-84
• 结论84-86
• 致谢86-87
• 参考文献87-90
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果90

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本文编号：296529