全地面起重机伸缩臂截面优化设计

发布时间：2017-11-01 14:10

  本文关键词：全地面起重机伸缩臂截面优化设计

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【摘要】：起重机是一种取物机械，随着社会发展各种型号的起重机不断出现，，其设计、工艺都逐渐趋于规范化。伸缩臂作为全地面起重机中最重要的结构之一，是所有结构中最主要受力的结构，因此在实际工作中要考虑其刚度、强度、稳定性。那么伸缩臂截面尺寸的大小就变的十分重要。 伸缩吊臂作为全地面起重机中非常重要的结构，其重量一般占整个起重机的18%左右，而大吨位的全地面起重机所占比重更大，这就降低了起重机的性能。因此，在符合各项要求的基础上，采用优化设计的方式，对吊臂结构的尺寸进行优化，降低整个结构的自重，这在大吨位起重机整个伸缩臂的设计中起到关键作用。 优化之前要先编写全地面起重机主臂结构参数化程序的ANSYS命令流文件。本文建立有限元模型时，臂筒结构和单倍吊绳使用BEAM188单元模拟，变幅缸结构使用LINK8单元模拟，而每两节臂之间的滑块使用MPC184单元模拟。建立了有限元模型之后，需要施加边界条件，即对主臂后铰点和变幅缸下铰点约束其三个方向的平动自由度，而对单倍吊绳下铰点进行全约束；施加的载荷有自重、吊重、风载、侧载和回转惯性载荷。另外在结构中应力比较大的位置需要建立控制截面，方便提取计算结果。 本文采用两种优化方法对全地面起重机伸缩臂截面的尺寸进行优化。 首先，使用ANSYS自带的优化算法对伸缩臂截面进行优化。本文考虑到其优化结果的精确度，所以选择使用一阶方法进行优化。利用ANSYS软件的优化模块，对伸缩臂截面进行优化设计的时候，全地面起重机伸缩臂的截面形式不变，即始终保持U型截面，把各节臂上、下盖板厚度和U型截面的外形尺寸作为设计变量，以全地面起重机在正常工作时控制截面的最大Von Mises应力作为状态变量，以整个伸缩臂结构的总质量作为目标函数。优化时根据厂家要求给出设计变量的取值范围，然后通过一阶方法的迭代计算出最优值。 其次，使用遗传算法对伸缩臂截面进行优化分析。本文遗传算法是采用整数编码的形式，通过遗传算子的操作把新产生的个体和父代中的个体放在一起形成一个新的种群，计算每个个体的适应值，选择适应度好的前N个个体最为下一代（N为种群的数量），这样能保证父代中一些好的个体都能遗传下来。具体程序计算过程是：使用MATLAB软件编写遗传算法程序，遗传算法中适应值是通过调用ANSYS进行计算，得出的的每个适应值都保存在一个文件中，以方便遗传算法程序的使用。给出程序最大迭代次数，随着迭代次数的增加，种群中的个体不断地趋于最优。 最后，根据两种优化方法的结果进行分析，可以看出优化后整个伸缩臂结构的重量减轻了许多。ANSYS一阶方法和遗传算法在主臂截面优化上是可行的，本文为全地面起重机主臂结构减重提供参考，并且在已有型号全地面起重机的基础上，通过优化吊臂截面尺寸为设计出更大吨位的提供参考。
【关键词】：全地面起重机 伸缩臂截面 遗传算法 优化 ANSYS MATLAB
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH213;TP18
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 选题背景和国内外发展现状11-12
• 1.1.1 选题背景11
• 1.1.2 国内外全地面起重机的发展情况11-12
• 1.2 全地面起重机简介12-16
• 1.2.1 全地面起重机的描述12-13
• 1.2.2 全地面起重机的独有技术13
• 1.2.3 全地面起重机的结构13-16
• 1.3 有限元发展及软件介绍16-18
• 1.3.1 有限元的发展过程16
• 1.3.2 有限元分析方法简介16-17
• 1.3.3 ANSYS 软件介绍17-18
• 1.3.4 MATLAB 软件简介18
• 1.4 本文研究的主要内容18-19
• 第2章 ANSYS 结构优化简介19-25
• 2.1 ANSYS 优化介绍19-22
• 2.1.1 ANSYS 优化模块中三大变量19
• 2.1.2 ANSYS 优化数学模型19-20
• 2.1.3 ANSYS 优化常用的两种优化算法20-22
• 2.2 ANSYS 优化设计的一般步骤22-23
• 2.3 本章小结23-25
• 第3章 遗传算法的理论及使用简介25-29
• 3.1 遗传算法的简介25-27
• 3.1.1 遗传算法的定义25
• 3.1.2 遗传算法的编码方式25
• 3.1.3 遗传算法的步骤25-26
• 3.1.4 遗传算法的特点26-27
• 3.2 遗传算法的具体使用介绍27-28
• 3.2.1 编码方式的选择27
• 3.2.2 最优值的选择27-28
• 3.2.3 适应值的选择28
• 3.3 本章小结28-29
• 第4章 全地面起重机主臂结构参数化建模29-43
• 4.1 单元的介绍29-30
• 4.2 各节吊臂模型建立30-35
• 4.2.1 主臂截面选取方法30-31
• 4.2.2 主臂截面参数说明31-32
• 4.2.3 吊臂有限元模型的建立32-35
• 4.3 模型组装及计算35-39
• 4.3.1 各节吊臂组装过程35-37
• 4.3.2 边界条件施加说明37-39
• 4.3.3 求解说明39
• 4.4 结果提取与处理39-41
• 4.5 本章小结41-43
• 第5章 全地面起重机主臂截面优化过程43-61
• 5.1 优化工况的选取43
• 5.2 ANSYS 优化过程的实现43-53
• 5.2.1 优化意图及选用优化算法43-44
• 5.2.2 优化变量的选取44-45
• 5.2.3 ANSYS 模块具体优化设计步骤45-46
• 5.2.4 ANSYS 优化结果46-53
• 5.3 遗传算法优化过程的实现53-59
• 5.3.1 编写遗传算法优化程序53
• 5.3.2 遗传参数的选择53-55
• 5.3.3 MATLAB 软件调用 ANSYS 的相关问题55
• 5.3.4 遗传算法的流程55
• 5.3.5 遗传算法优化结果55-59
• 5.4 本章小结59-61
• 第6章 结论与展望61-63
• 6.1 结论61
• 6.2 展望61-63
• 参考文献63-67
• 作者简介及参与科研项目67-69
• 致谢69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：1127146