基于竹子截面微观结构的铁路起重机伸缩臂仿生设计

发布时间：2017-05-20 17:07

  本文关键词：基于竹子截面微观结构的铁路起重机伸缩臂仿生设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铁路救援起重机的伸缩臂截面从最初的矩形,经过梯形、多边形、大圆角矩形的不断演变,目前基本达成共识：即椭圆形截面是最优的伸缩臂截面形式,这已经与竹子的茎杆外形非常相似。从宏观角度来看,伸缩臂截面外形的改进过程就是逐步模仿竹子茎秆圆柱形外观的过程。反过来,如果把竹子茎杆当作完美设计对象,这也解释了为什么传统的伸缩臂设计发展到椭圆截面后,就停滞不前——已达到比较完美的程度。于是,本文创新性地从微观层面出发,研究竹子茎杆中维管束的分布方式,进一步对伸缩臂截面做仿生设计,然后利用ANSYS Workbench作为有限元计算、优化工具,证明了该仿生思想的有效性,主要内容如下：(1)通过相似性分析,确定了起重机伸缩臂与竹子具有一定的相似度,满足仿生设计的基本条件；然后,就竹子的力学特性、微观结构以及两者之间的关系做了详细的研究；提取出竹子微观结构的核心思想——分层,将其与伸缩臂具体情况结合,进行伸缩臂的仿生设计,产生了双层伸缩臂截面,内、外层形状相同(或者不同)的设计思路；最后,根据相应的判定依据,确定内、外均为八边形的双层仿生型伸缩臂为本文重点比较的基础,创新性地将竹子微观结构运用在伸缩臂截面设计上。(2)在ANSYS Workbench的Geometry模块中,基于相同的工况对仿生型和传统型伸缩臂进行几何建模；然后,在Static Structural模块中,基于相同的网格划分参数、相同的载荷与约束、相同的求解条件对两种伸缩臂进行有限元分析；通过提取计算结果中相应的强度参数,发现仿生型伸缩臂在最大应力、最大应力附近区域的平均应力、伸缩臂非重叠部分整体应力指标上均明显优于传统型伸缩臂；通过提取计算结果中相应的刚度参数和局部稳定性参数,发现仿生型伸缩臂的性能仍然优于传统型伸缩臂；由此,证明了本文基于竹子微观结构的仿生思想对提高伸缩臂性能的有效性。(3)基于ANSYS Workbench的Design Explorer模块,对仿生型伸缩臂进行了适当的优化。在伸缩臂内、外板厚的优化中,以内、外板厚为自变量,以最大应力附近区域的内、外板局部平均应力差最小作为优化目标,优化中采用中心组合设计方法建立优化样本点,完全二次多项式拟合法建立响应面,Screening方法进行优化迭代。通过对比优化前、后的平均应力差,证明：适当优化伸缩臂内、外板厚,能有效降低两者的应力差,使材料得到更充分的利用。在加劲肋厚度的优化中,分别以强度和局部稳定性为指标,设计了相应的有限元分析模型,其中令加劲肋厚度在5mm～20mm之间每隔1mm生成一个计算点,然后,统计分析伸缩臂强度和局部稳定性的变化趋势,其结果表明,加劲肋厚度对伸缩臂的局部稳定性影响不大,但伸缩臂强度随着加劲肋厚度单调递增。(4)对加劲肋系统的布置做了初步探究。在关于加劲肋角度的探讨中,首先根据伸缩臂的实际工作情况以及整体稳定性因素,选定在腹板设置不同角度的加劲肋；然后,建立5组模型,其加劲肋走向与伸缩臂中心线分别成0度、30度、45度、60度、90度夹角。通过ANSYS Workbench的分析计算,发现加劲肋走向与伸缩臂中心线成0度的时候,伸缩臂整体稳定性最好；在关于加劲肋密度的探讨中,通过设置两组模型,分别为腹板上加劲肋均匀分布和加劲肋上疏下密的分布,计算后发现：加劲肋的分布密度对伸缩臂整体稳定性有很大的影响,后者明显优于前者(后者的屈曲放大倍数比前者提高45.95%)。
【关键词】：起重机伸缩臂 竹子微观结构 仿生设计 有限元分析 尺寸优化
【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
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 铁路救援起重机及伸缩臂的发展概况13-14
• 1.2.1 铁路救援起重机发展概况13
• 1.2.2 伸缩臂发展概况13-14
• 1.3 仿生学的发展概况及应用14-16
• 1.3.1 结构仿生学研究概况14-15
• 1.3.2 竹材及其仿生研究概况15-16
• 1.4 有限元计算及优化技术16-17
• 1.4.1 有限元分析及ANSYS Workbench简介16
• 1.4.2 结构优化设计技术16-17
• 1.5 论文主要内容及工程意义17-19
• 第2章 伸缩臂的仿生设计19-27
• 2.1 相似性分析19-20
• 2.2 竹材的力学性能20-21
• 2.3 竹子横截面的微观结构21-23
• 2.4 竹子横截面微观结构的模拟23-24
• 2.5 基于竹子的伸缩臂仿生设想24-25
• 2.6 仿生截面形式的选择25-26
• 2.7 本章小结26-27
• 第3章 仿生型伸缩臂与传统型的性能对比27-47
• 3.1 伸缩臂主要参数的设计27-29
• 3.1.1 伸缩臂长度尺寸、三铰点位置27-28
• 3.1.2 截面尺寸的设计28-29
• 3.2 伸缩臂受力分析29-30
• 3.3 伸缩臂有限元模型30-32
• 3.4 伸缩臂的加载与约束32-33
• 3.5 仿生型伸缩臂与传统型的性能对比分析33-46
• 3.5.1 强度分析33-40
• 3.5.2 刚度分析40-41
• 3.5.3 局部稳定性分析41-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 仿生型伸缩臂的优化47-63
• 4.1 ANSYS Workbench优化流程48-49
• 4.2 仿生型伸缩臂的内、外臂板厚优化49-58
• 4.2.1 优化模型的建立49-51
• 4.2.2 样本设计51-53
• 4.2.3 响应面设计53-55
• 4.2.4 仿生型伸缩臂优化设计及结果55-58
• 4.3 仿生型伸缩臂的加劲肋厚度优化58-62
• 4.3.1 强度有限元模拟试验58-61
• 4.3.2 局部稳定性有限元模拟试验61-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 仿生型伸缩臂加劲肋布置的初步探讨63-70
• 5.1 加劲肋角度探讨64-68
• 5.1.1 变角度加劲肋位置的初步选择64-65
• 5.1.2 变角度加劲肋位置的最终确定65-66
• 5.1.3 加劲肋角度的设定及结果分析66-68
• 5.2 加劲肋分布密度探讨68-69
• 5.2.1 模型设置68
• 5.2.2 求解与分析68-69
• 5.3 本章小结69-70
• 结论70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 岑海堂;陈五一;;小型翼结构仿生设计与试验分析[J];机械工程学报;2009年03期

2 邓斌,王金诺;现代铁路起重机臂架系统中的现代设计方法[J];机械;2001年04期

3 张铁亮;丁运亮;;复合材料加筋壁板的结构布局优化设计[J];南京航空航天大学学报;2010年01期

4 季学荣;丁晓红;;板壳结构加强筋优化设计方法[J];机械强度;2012年05期

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1 魏灿刚;仿竹结构薄壁管的耐撞性设计和分析[D];吉林大学;2014年

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本文编号：382254