桥(门)式起重机小车架结构轻量化设计与研究
本文关键词:桥(门)式起重机小车架结构轻量化设计与研究
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【摘要】:节能环保已成为世界各国可持续发展的一个重要议题,对于大型工程机械来说,其钢结构本身自重很大。如何开展结构的节能设计与研究对促进绿色低碳经济的发展具有重要意义,况且起重装备轻量化也是当前起重行业的发展趋势,也是节能环保战略的具体实施。 起重机小车架是刚度很大的焊接超静定结构,传统计算方法将小车架简化为简支梁,且忽略了载荷引起的偏心作用,通常通过增加小车架的高度来保证刚度要求。为了保证安装在小车架上的各种机构正常工作,通常降低强度计算中的许用应力来保证刚度要求,这样设计偏于保守,材料浪费严重。 论文以32吨L型单梁门式起重机小车架为研究对象,基于有限元法和结构优化技术,在ANSYS中采用SHELL63单元对小车架建立有限元模型并进行静力学和动力学特性进行分析,在得到强度和刚度的基础上,在多学科优化平台ISIGHT上采用不同的优化技术进行优化。本文主要包括以下几个部分: (1)在ANSYS中建立小车架的有限元模型,主要采用的是SHELL63和MASS21单元,对载荷进行简化分析处理,求解得到小车架结构在分析工况下的最大等效应力,竖直方向最大变形和模态频率,校核了结构的强度和静态刚度,分析了结构的动态刚度。 (2)运用实验设计方法和灵敏度分析法,在ISIGHT平台中运用优化拉丁方实验设计方法,获得小车架设计变量对结构的响应(强度,刚度和重量)的Pareto plot图,选择对响应影响较大的设计变量构建近似模型,减小优化问题的规模,提高优化效率。 (3)借助多学科优化设计平台ISIGHT软件,结合近似模型技术,运用响应面模型构建小车架优化系统的二次响应面多项式,在响应面模型基础上采用多岛遗传算法进行优化,优化效率高。 (4)组合优化可以发挥全局算法的全局性,同时又能兼顾数值算法的高效性,运用全局优化算法多岛遗传算法和直接搜索法的组合算法对小车架结构优化模型进行优化,减轻了小车架的结构自重。 通过建立响应面模型和组合优化方法对小车架结构进行优化设计,减轻了小车架结构自重,节约了材料;其中,响应面优化效率高,但响应面模型存在一定的误差,而组合优化方法优化精细但耗时长。因此,针对不同的优化问题选择适宜的优化方法对优化结果和优化效率都有影响。
【关键词】:起重机小车架 轻量化设计 优化设计 有限元法 实验设计 响应面模型
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TH213.5
【目录】:
- 摘要6-7
- Abstract7-11
- 第1章 绪论11-15
- 1.1 课题研究背景11
- 1.2 课题国内外研究现状11-14
- 1.2.1 小车架结构轻量化设计研究现状12
- 1.2.2 结构轻量化设计研究方法现状12-14
- 1.3 本文研究内容14
- 1.4 本文研究意义14-15
- 第2章 工程结构优化设计方法15-27
- 2.1 优化理论15-18
- 2.1.1 优化设计方法15-17
- 2.1.2 优化设计发展概况17
- 2.1.3 优化设计基本过程17-18
- 2.2 基于CAE技术的现代机械优化设计18-19
- 2.2.1 常用优化设计软件介绍19
- 2.3 ISIGHT优化算法19-20
- 2.4 基于ISIGHT的多岛遗传算法优化20-26
- 2.4.1 多岛遗传算法参数设置22-23
- 2.4.2 ISIGHT多岛遗传算法优化实例23-26
- 2.5 小结26-27
- 第3章 32吨L型门式起重机小车架结构系统有限元分析27-42
- 3.1 有限元分析方法27-29
- 3.1.1 有限元法分析的一般步骤27-28
- 3.1.3 有限元分析软件ANSYS与参数化建模APDL28-29
- 3.2 小车架结构及基本参数29-30
- 3.3 小车架结构的有限元模型30-32
- 3.3.1 结构模型简化处理30-31
- 3.3.2 有限元模型的建立31-32
- 3.3.3 小车架的有限元模型32
- 3.4 小车架的静态特性分析32-37
- 3.4.1 静态特性分析的主要内容32
- 3.4.2 静态特性分析方法32-33
- 3.4.3 小车架静态分析时的载荷组合33
- 3.4.4 载荷分析计算33-35
- 3.4.5 有限元求解结果与分析35-37
- 3.5 小车架结构动态特性分析37-41
- 3.5.1 模态分析意义及应用37-38
- 3.5.2 模态分析理论38
- 3.5.3 ANSYS模态分析方法38-39
- 3.5.4 小车架的模态分析39-41
- 3.6 小结41-42
- 第4章 基于响应面模型的小车架结构优化设计42-58
- 4.1 基于拉丁超立方实验设计的灵敏度分析42-47
- 4.1.1 实验设计42
- 4.1.2 ISIGHT实验设计方法42-43
- 4.1.3 实验设计相关术语43
- 4.1.4 几种实验设计方法比较43-44
- 4.1.5 灵敏度分析44
- 4.1.6 小车架设计参数灵敏度分析44-47
- 4.2 近似模型方法47-48
- 4.2.1 基本概念47-48
- 4.2.2 近似模型方法48
- 4.3 响应面模型48-52
- 4.3.1 响应面模型的参数配置49-51
- 4.3.2 响应面模型的误差分析51
- 4.3.3 小车架结构有限元分析的响应面模型51-52
- 4.4 基于响应面模型的小车架结构轻量化设计52-57
- 4.4.1 小车架优化问题描述52-53
- 4.4.2 小车架结构优化数学模型53
- 4.4.3 基于响应面模型的小车架优化53-56
- 4.4.4 优化结果分析56-57
- 4.5 小结57-58
- 第5章 基于组合优化方法的小车架结构轻量化设计研究58-68
- 5.1 组合优化策略描述58-60
- 5.2 组合优化算法实例分析60-65
- 5.2.1 ISIGHT多岛遗传算法61-62
- 5.2.2 ISIGHT数值优化算法hooke-jeeves62
- 5.2.3 ISIGHT多岛遗传算法MIGA和Hooke-jeeves组合优化算法62-63
- 5.2.4 三种优化结果分析63-65
- 5.3 基于组合优化方法的小车架优化设计65-67
- 5.3.1 小车架组合优化策略65
- 5.3.2 组合优化结果分析65-67
- 5.4 小结67-68
- 结论与展望68-69
- 致谢69-70
- 参考文献70-73
- 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果73
【参考文献】
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,本文编号:1096375
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