大吨位双回转铁路救援起重机三节伸缩臂截面优化研究

发布时间：2017-04-28 14:11

  本文关键词：大吨位双回转铁路救援起重机三节伸缩臂截面优化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：起重机如今向着大吨位和大起升高度的趋势发展,吊臂作为铁路救援起重机的主要受力构件,其设计合理与否,直接影响着整机的起重性能。 本文基于多软件对大吨位(160t)双回转铁路救援起重机三节伸缩臂进行优化研究,采用OptiStruct对伸缩臂截面进行拓扑优化概念设计,基于Workbench进行几何建模、有限元分析及尺寸优化。主要内容如下： (1)阐述了国内外铁路起重机的研究现状及发展趋势,对比介绍了几种常见的吊臂截面型式。根据起重机伸缩臂的工作要求,进行了伸缩臂的总体方案设计及其相关计算,为其优化研究提供依据。 (2)基于Solidworks建模、Hypermesh划分网格及OptiStruct拓扑优化,逐步分析优化得到三节伸缩臂的较理想的大圆角矩形截面。过程中采用启发式算法推导了最小柔度下的拓扑优化问题,以体积分数为约束,将最小柔度作为优化目标,以矩形截面为初始截面,取三节臂头部危险截面附近失稳半波段建立拓扑优化模型,基于SIMP方法逐步进行拓扑优化。研究表明：参数的合理设置是获得理想的拓扑结果的关键,体积分数取0.35、单元尺寸取25mm较理想；不同载荷作用于伸缩臂的主要承载位置不同,弯矩主要作用于伸缩臂的上下翼缘板,轴向力主要作用于伸缩臂四周环形区域上。拓扑优化得到的大圆角矩形截面,适合于大吨位铁路起重机伸缩臂,证明了将拓扑优化技术应用到起重机三节伸缩臂的截面优化概念设计是可行的,为起重机结构优化设计提供了新思路。 (3)采用大圆角矩形截面型式,对各节臂进行截面尺寸设计,计算三节伸缩臂在变幅平面及旋转平面内的载荷,基于Workbench进行几何建模及有限元分析,计算及校核各节臂的强度、刚度及整体稳定性,并对比分析了大圆角矩形截面与矩形截面在同等条件下的力学性能。研究表明：大圆角矩形截面的设计合理可行,其力学性能优于传统的矩形截面,各节臂所受应力有较大富余,伸缩臂结构可进一步优化。 (4)以三节伸缩臂各节臂上、下翼缘板及两侧腹板的板厚为设计变量,设置最大应力与总体最大变形的约束条件,将伸缩臂整体质量最轻作为优化目标,进行尺寸优化。优化过程中探讨了各节臂板厚对轻量化设计的影响以及对最大应力、最大变形的灵敏度。优化后的三节伸缩臂各板厚明显减小,结构满足设计要求,很好的实现了优化目标。
【关键词】：三节伸缩臂 拓扑优化 大圆角矩形 SIMP方法 有限元分析 尺寸优化
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH218
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景及意义11
• 1.2 我国铁路发展状况及趋势11-13
• 1.3 铁路起重机国内、外发展状况13-15
• 1.3.1 国外铁路起重机发展状况13-14
• 1.3.2 国内铁路起重机发展状况14-15
• 1.4 铁路起重机吊臂的截面型式15-16
• 1.5 本文主要研究内容16-17
• 第2章 伸缩臂方案及其相关计算17-23
• 2.1 吊臂伸缩方案17-18
• 2.2 伸缩臂主要技术参数18-19
• 2.3 载荷组合19
• 2.4 载荷系数计算19
• 2.5 伸缩臂长度尺寸19-21
• 2.6 工况设计21
• 2.7 材料选用21-22
• 2.8 小结22-23
• 第3章 伸缩臂截面拓扑优化研究23-43
• 3.1 拓扑优化技术介绍23-24
• 3.2 伸缩臂截面拓扑优化模型的建立24-28
• 3.2.1 伸缩臂结构拓扑优化问题的阐述24-25
• 3.2.2 拓扑优化方法25-28
• 3.2.3 伸缩臂截面拓扑优化数学模型的建立28
• 3.3 伸缩臂三维有限元模型28-30
• 3.3.1 模型选取28
• 3.3.2 模型载荷计算28-30
• 3.3.3 模型边界条件30
• 3.4 伸缩臂截面拓扑优化分析30-42
• 3.4.1 矩形截面拓扑优化示例31-37
• 3.4.2 不同参数下的矩形截面拓扑优化37-40
• 3.4.3 不同截面拓扑优化40-42
• 3.5 小结42-43
• 第4章 伸缩臂建模及有限元分析43-59
• 4.1 伸缩臂截面尺寸设计43-45
• 4.2 伸缩臂实体建模45-46
• 4.3 载荷计算46-49
• 4.4 有限元分析49-54
• 4.4.1 有限元分析前处理49-50
• 4.4.2 静力学分析50-54
• 4.5 校核54-56
• 4.5.1 强度校核54-55
• 4.5.2 刚度校核55-56
• 4.5.3 整体稳定性校核56
• 4.6 结果分析56-58
• 4.7 小结58-59
• 第5章 伸缩臂有限元优化59-71
• 5.1 优化模型建立59-60
• 5.1.1 设计变量59-60
• 5.1.2 目标函数60
• 5.1.3 约束条件60
• 5.2 优化设计过程60-70
• 5.2.1 优化设计流程60-61
• 5.2.2 试验设计61-65
• 5.2.3 响应面设计65-68
• 5.2.4 优化结果68-70
• 5.3 小结70-71
• 结论与展望71-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文77

【参考文献】

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本文编号：332965