渐变箍紧力作用的起重机卷筒结构分析与优化设计

发布时间：2017-06-03 13:05

  本文关键词：渐变箍紧力作用的起重机卷筒结构分析与优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：卷筒作为起升机构的重要承力部件,其性能稳定可靠是起重机正常工作的必要保证。当前卷筒结构计算方法仍然沿用受均匀外压、且端部简支的理想圆柱壳体模型,不能真实反映筒体承受钢丝绳对其的渐变箍紧力作用的实际特征,导致用材与制造浪费。起重机制造企业,为了适应不同起重量和工作级别,需设计具有类似结构特征、不同尺寸规格且局部结构略有差别的系列化卷筒。设计工程师对相似构造的卷筒进行重复性的设计计算,耗费大量时间。为提高卷筒设计精度和效率,本文根据卷筒结构及受力特征、利用面向对象技术,构建系列化卷筒受力分析的快速设计系统,有助于设计人员快速初选筒体结构尺寸,通过利用本系统构建的自学习网络功能,对设计的卷筒结构提供优化方向和备选方案。为实现上述目标,本文的主要研究内容如下:首先,讨论分析了卷筒承受钢丝绳箍紧作用的局部与整体受力分布与平衡关系。根据卷筒的结构特征、受力特征及卷筒与端部连接特点,建立了有限元分析力学模型。探讨了卷筒应力变化及结构变形随筒体长度、直径、壁厚,肋板布置位置等变化的定量关系,并将有限元分析结果和传统设计公式计算结果进行了比较。进而对卷筒进行了特征值稳定性分析,得到了筒体的特征值稳定性系数及几种可能发生的失稳模式。通过增加渐变勒紧力,得出了考虑卷筒结构位移随加载变化的非线性特征下的临界载荷值。并对卷筒模拟了考虑材料非线性特征的多线性材料随动分析,模拟了卷筒的破坏形式。其次,采用相对差商法,对卷筒结构进行了以降低卷筒重量为目标函数、以线性与非线性强度设计指标为约束条件的离散变量减重优化。利用相对差商法确定搜索方向,并考虑了筒长与直径的相关性,确定了每轮优化的增量步组合方式,实现了卷筒结构的减重优化。在满足结构安全的同时,本文首次提出了焊接卷筒最优的内肋布置方案,大幅降低了卷筒质量。最后,提出了面向对象的卷筒结构系列化类继承快速设计方法,并采用三种不同结构形式和受力特征的卷筒实例验证了该设计方式的实用性。为了给设计人员提供快速初选合理卷筒结构的方法,构建了三层BP神经网络,通过对网络的训练和测试,实现了卷筒结构的高效设计。
【关键词】：起重机大型焊接卷筒 受力分析 结构优化 相对差商法 系列化 类继承设计 神经网络
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH21
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 本研究的意义与必要性10-12
• 1.2 国内外研究成果历程及研究现状12-14
• 1.2.1 卷筒受力特征分析现状12-13
• 1.2.2 卷筒强度与稳定性的研究进展13-14
• 1.2.3 系列化快速设计方法的发展14
• 1.3 本论文的重点研究内容14-16
• 第二章 起重机卷筒结构受载特征16-20
• 2.1 钢丝绳箍紧力模型16-18
• 2.1.1 钢丝绳对筒体的渐变载荷作用特征17
• 2.1.2 钢丝绳对卷筒的径向力及切向力17-18
• 2.2 筒体宏观受力分析18-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第三章 卷筒强度有限元分析与比较20-41
• 3.1 卷筒几何模型的结构组成及材料属性20-21
• 3.2 卷筒有限元力学性能分析建模21-27
• 3.2.1 有限元分析采用的板壳单元力学基础21-23
• 3.2.2 引导网格划分的建模方式23-24
• 3.2.3 筒体坐标系变换24-25
• 3.2.4 筒体离散化等效载荷施加25
• 3.2.5 端部边界条件的处理方法25-27
• 3.3 具体算例27-36
• 3.3.1 基本模型分析27-28
• 3.3.2 径向加强肋板对筒体结构强度影响28-30
• 3.3.3 支撑端减重孔对筒体结构强度影响30-32
• 3.3.4 卷筒受力状态与筒体长度、直径、厚度的关系32-35
• 3.3.5 卷筒受力状态与钢丝绳缠绕位置的关系35-36
• 3.4 卷筒几何非线性分析36-38
• 3.5 有限元分析结果与传统强度计算公式比较38-40
• 3.5.1 卷筒强度计算准则38-39
• 3.5.2 实例对比39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 卷筒结构稳定性分析41-49
• 4.1 卷筒特征值稳定性分析41-44
• 4.2 卷筒非线性稳定性分析44-46
• 4.3 考虑材料特性的卷筒非线性稳定性分析46-47
• 4.4 本章小结47-49
• 第五章 卷筒结构离散变量优化设计49-56
• 5.1 结构优化设计方法49-51
• 5.1.1 相对差商法离散变量优化设计49-50
• 5.1.2 确定搜索方向50-51
• 5.2 卷筒离散变量优化模型51-54
• 5.2.1 卷筒离散自变量51-52
• 5.2.2 目标函数及约束条件的构建52-53
• 5.2.3 基于VC++的优化程序流程53-54
• 5.3 实例分析54-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第六章 起重机卷筒系列化类继承设计方法56-61
• 6.1 卷筒结构特征分类设计56-57
• 6.1.1 VC++软件开发56
• 6.1.2 面向对象编程理念的应用56-57
• 6.2 卷筒结构的模块化类继承结构规划57-58
• 6.3 卷筒模块化分类设计及建模分析实例58-60
• 6.4 本章小结60-61
• 第七章 基于BP神经网络的焊接卷筒结构设计方法61-70
• 7.1 BP神经网络设计方法61-64
• 7.1.1 BP神经网络基本思想61
• 7.1.2 BP神经网络实现步骤61-63
• 7.1.3 网络结构参数的确定方法63-64
• 7.2 确定卷筒构造的神经网络方法64-65
• 7.2.1 输入与输出参数的确定64-65
• 7.3 样本数据处理及训练结果分析65-69
• 7.4 本章小结69-70
• 第八章 结论与展望70-72
• 8.1 总结70-71
• 8.2 展望71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 攻读学位期间发表的学术论文目录77-78

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