塔式起重机结构刚性及动态优化研究

论文摘要

由于修订GB／T3811-83《起重机设计规范》的需要，本文首先对塔式起重机结构的静刚性进行了研究。通过对正在使用塔机的实物测试及理论分析，提出了塔式起重机结构静刚性的合理控制值，并通过了《起重机设计规范》修订组各位专家的鉴定评审。同时，给出了与目前静刚性检测方法对应的塔机结构静位移理论计算方法，以及工作状态下静位移的计算方法。鉴于《起重机设计规范》“修订稿”对起重机的刚性要求仅作为推荐值而不作为硬性规定值，因此，提出了利用二级模糊综合评判方法确定塔式起重机静刚性控制值的方法，以综合考虑设计水平、制造水平及使用条件等因素对塔机静刚性的影响，为新的《起重机设计规范》的灵活应用提供了切实可行的理论及方法，并给出了应用实例。对塔式起重机动态性能影响最大的动态特性参数主要是塔身的动刚性，动刚性通常以固有频率来衡量。分别按集中参数法及有限元方法建立了塔式起重机结构系统的动力学模型。按集中参数法建立的少自由度模型包括四自由系统、三自由度系统、二自由度系统及单自由度系统，对二自由度系统及单自由度系统的结构固有频率给出了简化计算公式。通过实例验算证明，少自由度系统或简化计算公式的计算精度可以满足工程设计的要求。提出了塔式起重机结构动态优化设计方法，并建立了以动刚性为优化目标的塔机结构系统动态优化数学模型。首先通过模态分析及谐响应分析确定影响塔机动态性能的关键模态频率，并以该阶频率作为目标函数；相对该优化目标，对所有结构参数进行了灵敏度分析，以确定塔机动态优化的设计变量；以塔机结构系统质量、静强度、静刚性、动态位移响应幅值等作为约束条件，建立了动态优化的数学模型。实例分析表明，优化后的塔机结构系统不仅静、动态性能大大提高，而且有效减轻了结构质量，提高了经济性能。利用动态优化设计方法，可以在设计阶段控制塔机结构的动态性能。提出了利用有限元方法、正交试验法、神经网络及遗传算法对塔机结构系统进行动态优化设计的方法。有限元方法可以进行结构的模态分析、谐响应分析及灵敏度分析，用于确定动态优化的目标函数及设计变量，以及计算BP神经网络所需样本点数据；利用正交试验法设计神经网络样本，可以选取最少的样本数量，得到均衡全面的样本分布；利用BP神经网络建立塔机结构系统动态分析模型，该模型可以取代传统的有限元模型，实现振动系统的快速重分析；利用遗传算法对所建立的神经网络模型寻优，可得到全局意义上的最优解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.2 GB/T3811-83《起重机设计规范》及其修订的必要性
• 1.3 起重机结构静、动态刚性在国内外设计规范中的发展概况
• 1.3.1 国外情况
• 1.3.2 国内情况
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 塔式起重机结构静刚性及其合理控制值研究
• 2.1 塔式起重机结构概述
• 2.1.1 塔式起重机结构型式
• 2.1.2 塔式起重机的计算载荷
• 2.1.3 塔式起重机塔身的计算工况
• 2.2 控制塔式起重机结构静刚性的必要性
• 2.3 塔式起重机塔身静位移的测量基准
• 2.4 塔式起重机结构静刚性的合理控制值
• 2.5 塔式起重机塔身静位移计算方法
• 2.5.1 与静刚性控制值相对应的塔身静位移理论计算方法
• 2.5.2 塔身静位移各种计算方法与实测值的比较
• 2.5.3 工作状态下塔式起重机塔身水平位移计算方法
• 2.6 用模糊综合评判方法确定塔式起重机结构静刚性控制值
• 2.6.1 模糊综合评判概述
• 2.6.2 模糊综合评判的步骤
• 2.6.3 塔式起重机结构静刚性控制值的模糊综合评判
• 2.7 本章小结
• 第3章 塔式起重机结构动刚性研究
• 3.1 机械系统的动态性能
• 3.1.1 机械系统动态性能研究方法
• 3.1.2 塔式起重机动态性能研究方法
• 3.2 塔式起重机结构动刚性的概念及衡量指标
• 3.3 塔式起重机结构动刚性的计算方法
• 3.3.1 振动系统的动力学模型
• 3.3.2 四质量四自由度系统
• 3.3.3 三质量三自由度系统
• 3.3.4 二质量二自由度系统
• 3.3.5 单自由度系统
• 3.3.6 按有限元法建立塔机动力学模型
• 3.4 实例分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 塔式起重机结构系统动态优化设计
• 4.1 动态优化设计
• 4.1.1 动态优化设计方法概述
• 4.1.2 动态优化设计常用建模方法
• 4.1.3 动态优化设计的数学模型
• 4.2 结构动力学分析的有限元方法
• 4.3 灵敏度分析
• 4.4 塔式起重机结构动态优化设计
• 4.4.1 塔式起重机结构动态优化设计目的
• 4.4.2 塔式起重机结构系统有限元模型及动态特性分析
• 4.4.3 塔式起重机结构系统灵敏度分析
• 4.4.4 塔式起重机动态计算工况的选择
• 4.4.5 塔式起重机动态计算工况的有限元仿真
• 4.4.6 塔式起重机结构系统动态优化设计的数学模型
• 4.4.7 塔式起重机结构系统动态优化设计结果分析
• 4.5 基于遗传算法和神经网络的塔式起重机结构系统动态优化设计
• 4.5.1 遗传算法概述
• 4.5.2 人工神经网络模型
• 4.5.3 遗传算法与神经网络的协同应用
• 4.5.4 正交试验法
• 4.5.5 基于遗传算法和神经网络的塔式起重机结构系统动态优化
• 4.6 有限元动态优化结果与遗传算法优化结果的比较
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 本文的主要创新点
• 5.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士期间发表的论文及科研成果