类椭圆截面伸缩臂接触非线性探析及结构轻量化技术研究

发布时间：2017-08-15 06:03

  本文关键词：类椭圆截面伸缩臂接触非线性探析及结构轻量化技术研究

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【摘要】：当前,铁路起重机已经成为保证铁路畅通不可或缺的重要装备,作为铁路起重机的主要承载构件,伸缩臂的设计合理与否,直接影响起重机的承载能力、整机实用性和安全可靠性。 本文以1700t·m大吨位双回转铁路救援起重机为研究对象,探析了伸缩臂与滑块三维摩擦接触非线性机理,并对伸缩臂结构轻量化技术进行了研究。主要内容如下： (1)基于ANSYS Workbench协同仿真平台,完成了一种新型非对称类椭圆截面伸缩臂的参数化建模、有限元分析和基于响应面法的MOGAi(多目标遗传算法)的轻量化设计。分析了常用的试验设计(DOE)方法、响应面的构建以及基于响应面法的优化算法,并深入研究了各输入与输出参数的相关性。研究表明：各节臂翼缘板厚对其应力影响很大,腹板高度和间距对伸缩臂整体应力影响最大。优化后的伸缩臂自重降低了21.09%,轻量化设计颇有成效,为今后大型工程机械结构优化设计提供了新的思路。 (2)面对高度非线性的一种新型对称类椭圆截面伸缩臂优化模型,利用正交试验法获取样本,研究了基于7种不同训练算法下的BP神经网络对拟合效果的影响。与启发式算法相比,采用数值优化算法能获得更快的收敛速度和更高的网络精度,其中,Levenberg-Marquardt算法的优势更加突出。最后选取罚函数法处理约束条件以实现全局搜索,利用LM-BP网络、遗传算法对伸缩臂进行寻优,伸缩臂自重降低了17.92%,大大提高了设计时效性,为解决工程实际中高度复杂的非线性优化问题提供了参考。 (3)指出了伸缩臂局部应力的传统解法之不足,概述了求解接触问题的数值方法。创造性地提出考虑伸缩油缸的支撑作用,并正确定义了油缸与伸缩臂之间的约束关系。借助专业非线性分析软件ABAQUS,成功建立了伸缩臂与滑块三维摩擦接触模型,真实地反映伸缩臂实际工作状态；探明了伸缩臂与滑块接触区域附近的应力响应情况。研究表明：伸缩油缸承受了大部分的轴向力,且存在较大转动；本文中滑块与伸缩臂典型接触区域相对摩擦滑动约10mm,释放接触面上的节点自由度更加符合实际。 (4)对比分析了不同截面形式下伸缩臂与滑块接触处应力响应情况。研究发现：复杂的边界条件使伸缩臂与滑块接触处应力分布极度不均；在滑块边线或者尖角附近,应力集中现象严重,容易产生摩擦磨损,在滑块棱角处制造圆角可以提高其使用寿命,合适的滑块宽度有利于增强滑块承载能力,而增加滑块长度很难降低局部应力；与多边形截面伸缩臂相比,类椭圆截面伸缩臂滑块处应力分布更加均匀,有利于改善接触区域受力环境,提高伸缩臂的局部稳定性。
【关键词】：伸缩臂 滑块 接触非线性 轻量化 响应面 神经网络 遗传算法 油缸
【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】：TH218
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 选题背景及工程意义12
• 1.2 有限元技术的发展12-13
• 1.3 优化设计技术13-15
• 1.3.1 传统优化方法13-14
• 1.3.2 响应面法14
• 1.3.3 人工神经网络14
• 1.3.4 遗传算法14-15
• 1.3.5 伸缩臂优化研究现状15
• 1.4 接触非线性问题15-18
• 1.4.1 非线性问题15-16
• 1.4.2 接触问题的研究及进展16-17
• 1.4.3 滑块接触问题研究现状17-18
• 1.5 论文研究的主要内容18-19
• 第2章 基于ANSYS Workbench的伸缩臂轻量化设计19-42
• 2.1 ANSYS Workbench简介19-20
• 2.2 非对称类椭圆截面20-21
• 2.3 参数化几何模型21-23
• 2.4 伸缩臂静力学分析23-30
• 2.4.1 材料选择24
• 2.4.2 网格划分24-27
• 2.4.3 边界条件27
• 2.4.4 载荷计算27-29
• 2.4.5 结果求解及后处理29-30
• 2.5 轻量化设计30-41
• 2.5.1 优化数学模型30-31
• 2.5.2 试验设计31-33
• 2.5.3 响应面设计33-36
• 2.5.4 参数相关性36-38
• 2.5.5 优化处理38-39
• 2.5.6 结果分析39-41
• 2.6 本章小结41-42
• 第3章 基于LM-BP网络与遗传算法的伸缩臂结构优化42-70
• 3.1 伸缩臂有限元模型42-43
• 3.1.1 对称类椭圆截面42-43
• 3.1.2 有限元分析43
• 3.2 BP神经网络理论43-49
• 3.2.1 BP学习算法43-49
• 3.2.2 BP算法的不足与改进49
• 3.3 样本采集49-53
• 3.3.1 正交试验法49-50
• 3.3.2 正交表设计50-52
• 3.3.3 样本归一化52-53
• 3.4 基于MATLAB的BP神经网络设计53-62
• 3.4.1 网络拓扑结构设计53-54
• 3.4.2 标准BP算法54-55
• 3.4.3 附加动量法55-56
• 3.4.4 自适应学习速率法56
• 3.4.5 RPROP法56-57
• 3.4.6 共轭梯度法57-58
• 3.4.7 牛顿法与拟牛顿法58-59
• 3.4.8 Levenberg-Marquardt法59-61
• 3.4.9 网络测试61-62
• 3.5 遗传算法的实现62-66
• 3.5.1 参数编码与解码62-63
• 3.5.2 种群规模及初始化63
• 3.5.3 适应度函数设计63-64
• 3.5.4 选择操作64
• 3.5.5 交叉操作64-65
• 3.5.6 变异操作65
• 3.5.7 停止准则65-66
• 3.6 基于LM-BP网络与遗传算法伸缩臂结构优化66-69
• 3.6.1 优化数学模型66
• 3.6.2 约束条件处理66-68
• 3.6.3 优化结果分析68-69
• 3.7 本章小结69-70
• 第4章 类椭圆截面伸缩臂与滑块三维摩擦接触机理探析70-88
• 4.1 伸缩臂滑块处局部应力传统解法70-72
• 4.2 三维摩擦接触问题的数值解法72-76
• 4.2.1 直接迭代法73-74
• 4.2.2 数学规划法74
• 4.2.3 接触约束法74-76
• 4.3 利用ABAQUS求解非线性问题76-78
• 4.3.1 载荷增量法与弧长法76-77
• 4.3.2 平衡迭代77
• 4.3.3 收敛性77-78
• 4.4 类椭圆截面伸缩臂与滑块接触非线性问题关键技术研究78-83
• 4.4.1 几何模型的建立及材料选择79-80
• 4.4.2 分析步定义及接触作用设置80
• 4.4.3 网格划分及载荷和约束施加80-82
• 4.4.4 接触非线性求解82-83
• 4.5 结果分析83-86
• 4.6 本章小结86-88
• 第5章 不同截面伸缩臂与滑块接触非线性对比研究88-101
• 5.1 多边形截面伸缩臂与滑块接触非线性研究88-89
• 5.1.1 研究对象88
• 5.1.2 三维摩擦接触有限元模型88-89
• 5.1.3 考虑接触非线性的伸缩臂强度刚度校核89
• 5.2 结果分析89-100
• 5.2.1 截面形式对伸缩臂整体应力的影响89-93
• 5.2.2 截面形式对滑块应力分布的影响93-98
• 5.2.3 截面形式对伸缩臂局部应力分布的影响98-100
• 5.3 本章小结100-101
• 结论101-103
• 致谢103-104
• 参考文献104-108
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果108-109

【参考文献】

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本文编号：676555