卡尔多炉炉体吊具主梁结构分析及优化设计

发布时间：2017-10-17 19:47

  本文关键词：卡尔多炉炉体吊具主梁结构分析及优化设计

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【摘要】：现代设计技术不断发展，在追求产品轻量化设计的同时，设计的创新性和经济性得到了越来越多的关注，结构优化设计也成为一个迅速发展的设计领域，它使得设计人员可以更主动的进行创造性设计。 卡尔多炉炉体吊具完成对卡尔多炉的夹取、运送、卸载等多项工作，主梁是整个结构的主要承载部件，其结构形式对炉体吊具的力学性能和工作性能都有很大影响。目前国内对炉体吊具的设计多采用传统设计方法，局限于对结构做有限元强度分析校核，并根据经验进行钢板尺寸优化等，未能对结构进行拓扑优化和形状优化，没有形成完整的优化设计流程，很难从根本上改进原结构，也不能获得真正意义上的最优设计。 本文选择卡尔多炉炉体吊具主梁的结构分析和优化设计为研究课题，首先以实体单元建立卡尔多炉炉体吊具主梁的有限元模型，通过静强度分析、稳定性分析和约束模态分析，了解炉体吊具主梁的结构特性，找到结构薄弱部位，以及强度盈余较大部位，指导后续的结构优化设计。由于组成炉体吊具主梁的钢板其壁厚与构件长度相比很小，也适合选用壳单元来模拟，因此本文通过实体单元和壳单元两种有限元模型计算结果的对比，确保实体单元有限元模型的分析结果可靠有效。 本文采用Altair公司开发的优化软件Optistruct，对炉体吊具主梁的设计从拓扑优化、形状优化，再到尺寸优化，，完成从总体框架设计到细节结构优化设计的过程，最终获得满足设计要求的优化设计方案。本文获得的卡尔多炉炉体吊具主梁的优化设计方案已经被企业采纳，并用于工程实际。 最后，本文采用渐进结构优化方法（ESO）对卡尔多炉炉体吊具主梁结构进行了拓扑优化。渐进结构优化方法（ESO）因其思想朴素、效果明显、易于实现成为结构拓扑优化领域中新的研究方向。目前方法的研究成果多偏于理论方面，工程应用成果不多。本文将ESO方法应用于工程实际，获得具有应用价值的成果。并将采用Optistruct软件和ESO方法两种优化手段的拓扑优化结果进行对比分析，确保优化设计方案的可靠性。
【关键词】：卡尔多炉 炉体吊具主梁 拓扑优化 渐进结构优化（ESO） 有限元方法
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH211
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 结构优化9-12
• 1.2.1 结构优化的分类9-10
• 1.2.2 离散结构拓扑优化10
• 1.2.3 连续体结构拓扑优化10-12
• 1.3 卡尔多炉炉体吊具主梁的研究现状12-13
• 1.4 论文的主要内容13
• 1.5 论文的研究意义13-15
• 2 卡尔多炉炉体吊具主梁结构分析15-31
• 2.1 引言15
• 2.2 卡尔多炉炉体吊具基本参数15
• 2.3 卡尔多炉炉体吊具主梁模型的建立15-20
• 2.3.1 基本假定15-16
• 2.3.2 建模方法的选择16
• 2.3.3 单元选择16-17
• 2.3.4 有限元模型的建立17-19
• 2.3.5 边界条件的建立19-20
• 2.4 卡尔多炉炉体吊具主梁静强度分析20-22
• 2.4.1 工作工况分析20
• 2.4.2 应力计算结果分析20-21
• 2.4.3 位移计算结果分析21-22
• 2.5 壳单元静强度对比分析22-25
• 2.5.1 有限元模型的建立22-23
• 2.5.2 计算结果分析23-24
• 2.5.3 计算结果对比24-25
• 2.6 卡尔多炉炉体吊具主梁稳定性分析25
• 2.7 卡尔多炉炉体吊具主梁模态分析25-29
• 2.7.1 结构模态分析概述25-26
• 2.7.2 结构模态分析基本原理26
• 2.7.3 边界条件的建立26
• 2.7.4 模态分析结果26-29
• 2.8 本章小结29-31
• 3 卡尔多炉炉体吊具主梁优化设计31-59
• 3.1 引言31
• 3.2 OPTISTRUCT 结构优化31-32
• 3.3 优化设计流程32-33
• 3.4 卡尔多炉炉体吊具主梁第一次拓扑优化设计33-37
• 3.4.1 优化模型的建立33-34
• 3.4.2 有限元模型的建立和边界条件的加载34-36
• 3.4.3 优化参数的设定36
• 3.4.4 优化结果36-37
• 3.5 卡尔多炉炉体吊具主梁第一次形状优化设计37-40
• 3.5.1 优化模型的建立37
• 3.5.2 有限元模型的建立和边界条件的加载37-38
• 3.5.3 优化参数的设定38-39
• 3.5.4 优化结果39-40
• 3.6 卡尔多炉炉体吊具主梁第二次形状优化设计40-43
• 3.6.1 有限元模型的建立和边界条件的加载40-41
• 3.6.2 优化参数的设定41-42
• 3.6.3 优化结果42-43
• 3.7 卡尔多炉炉体吊具主梁第二次拓扑优化设计43-45
• 3.7.1 有限元模型的建立和边界条件的加载43-44
• 3.7.2 优化参数的设定44
• 3.7.3 优化结果44-45
• 3.8 卡尔多炉炉体吊具主梁尺寸优化设计45-50
• 3.8.1 优化模型的建立45-46
• 3.8.2 有限元模型的建立和边界条件的加载46-48
• 3.8.3 优化参数的设定48
• 3.8.4 优化结果48-50
• 3.9 卡尔多炉炉体吊具主梁优化后结构分析50-57
• 3.9.1 有限元模型的建立50-51
• 3.9.2 静强度分析51-53
• 3.9.3 稳定性分析53-54
• 3.9.4 模态分析54-56
• 3.9.5 优化前后结构性能对比56-57
• 3.10 本章小结57-59
• 4 渐进结构优化方法在卡尔多炉炉体吊具主梁结构设计中的应用59-75
• 4.1 引言59
• 4.2 渐进结构优化方法（ESO）59-63
• 4.2.1 渐进结构优化方法（ESO）的发展59-60
• 4.2.2 渐进结构优化方法（ESO）的基本理论60-63
• 4.3 卡尔多炉炉体吊具主梁基于渐进结构优化方法的结构拓扑优化——平面二维结构63-67
• 4.3.1 基础拓扑结构的确定63-64
• 4.3.2 计算模型的确定64
• 4.3.3 拓扑优化设计64-67
• 4.4 卡尔多炉炉体吊具主梁基于渐进结构优化方法的结构拓扑优化——空间三维结构67-73
• 4.4.1 空间三维问题应力准则67-68
• 4.4.2 基础拓扑结构的确定68
• 4.4.3 计算模型的确定68-69
• 4.4.4 拓扑优化设计69-73
• 4.5 与第 3 章拓扑优化结果的对比73
• 4.6 本章小结73-75
• 5 结论与展望75-77
• 5.1 结论75
• 5.2 展望75-77
• 致谢77-79
• 参考文献79-85
• 附录85
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文85

【参考文献】

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本文编号：1050704