大型拖缆机零部件结构优化设计及实验验证

发布时间：2020-10-27 03:30

　　 大型拖缆机是海洋能源开发的重要辅助工具。拖缆机一般是为了海洋平台搭建、收放缆等工作而设计的。由于现阶段大型拖缆机的结构设计仍然相对保守,在同类型拖缆机产品中,国外的同型拖缆机普遍比国内拖缆机在质量上轻10%左右。针对零部件对不同性能的要求,本文对拖缆机的零部件进行结构优化设计并且进行仿真和实验验证。为开展甲板机械新的结构优化设计方法提供理论和技术支持。(1)研究了几种在机械结构优化设计中常用的多目标优化方法,分析各种多目标优化方法的优势和特点。选取基于折衷规划法的多目标优化方法对拖缆机电机支架进行多目标拓扑优化设计。利用有限元技术对要进行优化设计的拖缆机零部件进行仿真分析。本文选择了拖缆机电机支架和拖缆机卷筒作为优化设计的零部件,分别对拖缆机电机支架和拖缆机卷筒进行静力学仿真分析和模态分析。对两个零件的各项性能做出评价,为后续的结构优化设计提供参考值。(2)使用基于折衷规划法的多目标优化方法对电机支架进行多目标优化设计。其中将质量、固有频率和刚度作为目标函数。电机支架质量是主要优化目标,将固有频率作为优化目标是因为拖缆机电机或者马达的安装位置要考虑其动态特性。在优化过程中刚度目标函数和固有频率目标函数之间的相互关系和影响是不可测和无法确定的,针对这个问题,本文使用基于协调满意法的多目标优化方法对电机支架进行优化设计。针对拖缆机卷筒设计方法保守导致质量过大的问题,利用有限元技术和优化方法对卷筒壁厚进行优化设计。(3)对优化后的拖缆机电机支架的刚度进行实验验证。分别采用仿真方法和实验方法对优化结果进行验证。利用相似理论设计缩小比例的电机支架优化前和优化后的模型。分别采用直接测量方法和应变片测量应变间接测量方法对优化后的电机支架进行优化结果的验证。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P742
【部分图文】：

协调满意法的多目标优化设计方法进行电机支架的优化设计。在满足使用对拖缆机卷筒进行了减重设计。型拖缆机发展现状缆机由卷筒、拖缆机机架、动力装置、墙架、排绳器、电机支架和相应的[1]。大型拖缆机按动力驱动方式可分为电动、液压等驱动方式；按拖缆机般可分单卷筒、双卷筒和三卷筒的布局形式；根据大型拖缆机的功能可分机和自动型拖缆机。普通拖缆机可承受较大的载荷，相比于自动拖缆机其并且有可以快速改变钢丝绳长度等优点。自动型拖缆机能根据钢丝绳拉力节钢丝绳的长度改变拖船与被拖物的距离。当钢丝绳的拉力变小时，拖缆紧钢丝绳；当拉力开始变大时，拖缆机可以自动的放出钢丝绳。大型拖缆船只的中点后方 5%-10%的范围内，在大型拖缆机过程中，应该尽量保持对于船体比较低的位置，以使船只在工作时的横倾力矩减少到最小。图 机械公司生产的双卷筒大型拖缆机实物图。

(a) 离散结构拓扑优化模型 (b) 连续体结构拓扑优化模型图 1.2 拓扑优化模型示意图随着拓扑优化理论与技术的逐渐成熟，拓扑优化在不同领域的实际工程项目中也了大量的应用。在国外的一些著名大学和研究机构中，如美国西北大学的 ShiKuiC Wei Chen 等[23]提出了基于鲁棒性的拓扑优化方法(RSTO)，这种方法可以在载荷和特性随机不确定的情况下完成优化设计。韩国国立中南大学的 Jeong Woo Changoung Shin Lee[24]对汽车上的支架结构进行了尺寸优化和拓扑优化研究与实验。在静动态载荷共同作用条件下，对两种汽车支架样本进行了拓扑优化基础模型的结构分拓扑优化结果的新支架与传统的概念模型在四种载荷工况下进行了比较，在固有频量和刚度等方面都得到了一定程度的改善。并且通过实验的方式验证了仿真结果的性和可靠性。图 1.3 为经过尺寸优化和拓扑优化的支架结构。

(a) 离散结构拓扑优化模型 (b) 连续体结构拓扑优化模型图 1.2 拓扑优化模型示意图随着拓扑优化理论与技术的逐渐成熟，拓扑优化在不同领域的实际工程项目中也得到了大量的应用。在国外的一些著名大学和研究机构中，如美国西北大学的 ShiKuiChe和 Wei Chen 等[23]提出了基于鲁棒性的拓扑优化方法(RSTO)，这种方法可以在载荷和材料特性随机不确定的情况下完成优化设计。韩国国立中南大学的 Jeong Woo Chang 和Young Shin Lee[24]对汽车上的支架结构进行了尺寸优化和拓扑优化研究与实验。在静态和动态载荷共同作用条件下，对两种汽车支架样本进行了拓扑优化基础模型的结构分析将拓扑优化结果的新支架与传统的概念模型在四种载荷工况下进行了比较，在固有频率质量和刚度等方面都得到了一定程度的改善。并且通过实验的方式验证了仿真结果的合理性和可靠性。图 1.3 为经过尺寸优化和拓扑优化的支架结构。
【参考文献】

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4 许华旸;关立文;王立平;陈祥;;惯性载荷下飞行模拟器大臂结构的拓扑优化[J];机械工程学报;2014年09期

5 高海涛;许志沛;申士林;;基于ANSYS Workbench的多层缠绕卷筒的结构优化设计[J];机械设计与制造;2013年06期

6 邓乐安;屈小章;郑正国;;起重机焊接卷筒力学性能分析及应用[J];建筑机械;2012年01期

7 张晓峰;;浅析远洋船用拖曳绞车[J];江苏船舶;2011年02期

8 邹晖华;张增培;;大型薄壁焊接卷筒有限元受力计算[J];起重运输机械;2011年04期

9 陈崇;曹霞;王万宇;刘正兵;;9000m海洋绞车滚筒轻量化设计分析[J];石油机械;2010年06期

10 赖笑辉;牟新明;李鹏;;绞车滚筒的结构强度分析[J];现代制造技术与装备;2009年02期

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6 胡三宝;多学科拓扑优化方法研究[D];华中科技大学;2011年

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9 左孔天;连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D];华中科技大学;2004年

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3 杨琼华;HJJ680/52T井架和滑移底座设计及分析计算[D];西南交通大学;2015年

4 赵永辉;大客车车身骨架结构拓扑优化设计[D];武汉理工大学;2008年

5 黄杰;基于变密度法的连续体拓扑优化技术及其应用研究[D];西北工业大学;2007年

本文编号：2857967