起重机伸缩臂综合性能及其多目标优化设计研究

发布时间：2017-06-08 07:13

  本文关键词：起重机伸缩臂综合性能及其多目标优化设计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：起重机械广泛应用于土木建筑、交通运输、港口、矿山、化工、冶金及水利等国民经济部门和领域的物质生产和物资流通中。伸缩臂是起重机的关键承载部件，其性能直接影响起重机的整机性能。但是目前相关研究主要集中在伸缩臂截面形式的选取和轻量化设计上，兼顾强度、刚度、疲劳寿命及自身重量等各方面性能的多目标优化设计还比较少见。因此，本文采用参数化有限元模型、响应面近似模型和全局数值寻优算法相结合的方法，对伸缩臂的动静态性能、疲劳寿命以及轻量化的多目标优化进行深入而系统的研究。本文的主要研究内容有： (1)概述了伸缩臂截面结构的发展状况和结构优化的层次；分析了起重机臂架设计与优化以及基于近似模型的结构优化方法的国内外研究现状。 (2)利用CAD软件建立了伸缩臂的三维参数化实体模型；在此基础上，采用接触算法建立了考虑接触和摩擦问题的伸缩臂有限元模型；随后分析了各工况下伸缩臂的静力学性能；为了验证有限元建模方法的可行性和所建模型的准确性，对伸缩臂的应力应变性能进行了试验研究。 (3)在静力学分析的基础上，采用名义应力法对伸缩臂的疲劳寿命进行了估算；采用所建立的有限元模型，，分析了伸缩臂的动态性能。 (4)以伸缩臂的截面尺寸为优化设计变量，采用最优拉丁方试验设计方法和响应面函数构建起伸缩臂各响应值与设计变量的近似模型；以伸缩臂整体质量以及工况1和工况2下伸缩臂的第一阶固有频率作为优化目标，第2、3阶固有频率和伸缩臂的强度、刚度以及疲劳寿命作为约束，建立伸缩臂的优化数学模型；采用改进型非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）在近似模型内进行多目标寻优，完成伸缩臂的优化设计。 本文的研究工作为起重机伸缩臂的设计优化提供了理论依据；提出将参数化建模、有限元仿真、疲劳分析和数值寻优算法相结合的多目标优化方法，也可为其它机械结构的设计优化研究提供参考。
【关键词】：起重机伸缩臂 有限元分析 疲劳寿命 多目标优化 响应面
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH213
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 研究背景与意义13-14
• 1.2 课题研究现状14-19
• 1.2.1 起重机伸缩臂结构发展概述14-15
• 1.2.2 结构优化的层次15-16
• 1.2.3 起重机臂架设计与优化的研究现状16-18
• 1.2.4 基于近似模型优化方法的研究现状18-19
• 1.3 论文研究的目的及主要内容19-20
• 1.4 本章小结20-21
• 第2章 考虑接触问题的伸缩臂有限元建模研究21-34
• 2.1 引言21
• 2.2 接触问题的基本理论21-25
• 2.2.1 接触问题的基本方程21
• 2.2.2 接触界面定义与接触状态判定21-23
• 2.2.3 接触界面的定解条件和校核条件23-24
• 2.2.4 接触问题的有限元求解方法24-25
• 2.3 伸缩臂参数化实体模型的建立25-30
• 2.3.1 SQ200 型随车起重机主要结构25-26
• 2.3.2 伸缩臂工作原理26-27
• 2.3.3 参数化设计理念27
• 2.3.4 三种建模技术路线27-28
• 2.3.5 伸缩臂三维参数化实体模型建立过程28-30
• 2.4 考虑接触问题的伸缩臂有限元模型建立30-33
• 2.4.1 有限元模型的建立30-31
• 2.4.2 伸缩臂的接触定义31-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 伸缩臂静力学分析与试验研究34-44
• 3.1 引言34
• 3.2 伸缩臂有限元静力学分析34-37
• 3.2.1 使用工况分析34-35
• 3.2.2 施加载荷与约束35-36
• 3.2.3 计算结果分析36-37
• 3.3 伸缩臂应力试验37-41
• 3.3.1 试验目的37-38
• 3.3.2 试验方法与测试系统38
• 3.3.3 测试工况与试验方案38-40
• 3.3.4 试验数据记录与处理40-41
• 3.4 有限元仿真结果与试验结果对比分析41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 伸缩臂疲劳寿命评估与动态性能分析44-56
• 4.1 引言44
• 4.2 伸缩臂疲劳寿命评估44-50
• 4.2.1 基于名义应力法的疲劳寿命评估44-45
• 4.2.2 伸缩臂疲劳载荷谱获取45-47
• 4.2.3 伸缩臂材料的疲劳特性47-49
• 4.2.4 伸缩臂疲劳寿命估算结果49-50
• 4.3 伸缩臂结构模态分析50-55
• 4.3.1 模态分析基本原理与有限元求解51-53
• 4.3.2 伸缩臂结构模态分析结果53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 基于响应面模型的伸缩臂多目标优化设计56-68
• 5.1 引言56
• 5.2 基于最优拉丁方试验设计方法的优化参数筛选56-61
• 5.2.1 优化参数的选取57
• 5.2.2 设计空间内优化参数的筛选57-61
• 5.3 伸缩臂响应面模型的建立61-65
• 5.3.1 响应面近似模型61-62
• 5.3.2 基于最小二乘法建立伸缩臂的响应面模型62-63
• 5.3.3 伸缩臂响应面模型的精度验证63-65
• 5.4 伸缩臂的多目标优化设计65-66
• 5.4.1 优化数学模型65
• 5.4.2 优化结果分析65-66
• 5.5 本章小结66-68
• 结论与展望68-70
• 参考文献70-75
• 致谢75-76
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录76

【参考文献】

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本文编号：431782