起重机柔性臂架系统动力学建模与分析方法研究

发布时间：2020-08-15 22:31

【摘要】：考虑机构弹性影响的运动弹性动力分析是目前机械动力学和工程力学领域的研究热点,而具有柔性臂架的起重机械就是其中一种典型的重载柔性机械。具有柔性运动臂架的起重机械在运动过程中,受到较大的轴向和横向载荷的共同作用,为保证其工作的安全可靠,对其进行准确的动力学分析是非常必要的。本文以几何非线性有限元和柔性多体系统动力学方法为基础,对计及二阶效应的运动柔性梁杆系统的弹性动力学分析方法进行研究和探讨,对起重机械的典型运动工况进行动力学实例分析,为大柔度动臂式起重机结构的分析和设计提供重要的理论依据。本文基于有限元方法在梁杆结构分析中的应用,放弃了传统的插值理论及位移假定与形函数求取的方法,直接从考虑二阶效应的纵横弯曲理论入手,推导柔性梁端部载荷与端部位移的关系,并将此关系表示成有限元形式的单元平衡方程,即二阶理论条件下压弯梁的精确有限元方程,进而得到二阶理论条件下单元精确刚度阵。此方程严格按照二阶理论而未作任何假设或省略。应用精确有限元方法对梁杆结构稳定性和二阶效应中的多个经典算例进行分析,并与解析解的结果进行比较,验证了计及二阶效应的梁单元刚度在梁杆结构几何非线性分析中的有效性和精确性。针对工程起重机结构工作于弹性范围内的要求,本文应用随动坐标法把基于二阶理论的小变形非线性梁杆有限元推广到了大位移小变形状态下的几何非线性梁杆有限元,通过局部坐标系中相对较小的弹性变形梁平衡方程的高精度描述,结合整体坐标系与随动坐标系间位移与变形的准确坐标转换,实现几何非线性大位移的表达,从而得出了大位移杆系结构的高精度全量平衡方程和增量平衡方程,为大柔度起重机结构几何非线性分析奠定了基础。在起重机柔性臂架的动力学分析中,将随动的局部坐标系内描述变形、固定坐标系内描述刚体运动及大位移的方法推广应用于运动柔性梁杆系统,应用柔性多体系统动力学分析方法,通过对柔性体运动状态的准确描述,推导了梁杆单元在局部坐标系下的计及二阶效应的刚弹耦合运动方程。质量等其他动力学特征矩阵直接与形函数相关,刚度矩阵则使用高精度有限元方法确定。使用随动坐标法,利用结点位移、速度和加速度在随动坐标系与整体坐标系内的相互关系,进一步得到了单元在整体坐标系下的运动方程。该方程包含了各种惯性耦合矩阵,全面考虑了柔性单元的刚体运动和弹性变形间的相互影响和相互耦合,并计入了二阶效应的影响。介绍了系统整体运动方程的组集,讨论了运动方程的求解策略和程序组织,给出了程序流程图并编制了相应的有限元分析程序,对典型机构进行了运动弹性动力学分析,证明了建模理论和所编程序的正确性。起重机械的运动工况复杂多样,分析实例中选取了具有典型意义的水平臂式塔式起重机的回转制动工况和港口起重机臂架系统的变幅运动工况进行运动弹性动力学分析。计算结果表明,在考虑机构柔性的二阶效应后,系统的位移和杆件内力均有较大幅度增加,对重要的大柔度起重机结构应进行考虑二阶效应的运动弹性动力学分析。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH21

【引证文献】