越野轮胎起重机吊臂结构特性分析及优化

论文摘要

越野轮胎起重机是作业效率高、机动灵活、性能可靠、越野能力强的工程起重机。在现代经济建设中得到了广泛的应用,国外发达地区已成建筑行业标准设备,但我国在研制上还处于初级阶段。作为越野轮胎起重机最重要的支承部件和关键性技术部件--吊臂系统,它承受自重、考虑动载系数的吊重、吊臂切向水平惯性力和吊臂偏摆引起的水平力、风力等,所以一旦吊臂出现问题,将会导致整台车产生致命的损伤,且吊臂的性能是整机设计水平的重要标志。采用有限元方法能准确分析越野轮胎起重机吊臂结构的强度和刚度,特别是局部应力分布,为设计出既能满足强度、刚度要求,又能充分发挥材料性能,降低自重合理的吊臂结构提供重要参考。本课题以某越野轮胎起重机的开发与研究为背景,对吊臂截面进行比较和选取,深入研究越野轮胎起重机吊臂的工作机理与结构,探讨伸缩机构种类和方式对吊臂受力影响,建立了以板壳单元、实体单元及梁单元相结合的吊臂整体有限元模型,创新地综合运用I-DEAS、HyperMesh、ANSYS三种软件结合对吊臂最危险的三种工况进行有限元分析,为吊臂结构设计提供参考和依据,并本着计算指导实验、实验验证计算的原则对产品进行强度试验,验证有限元分析结果的准确性和为产品的系列开发奠定基础;为确保吊臂在各工况下的稳定性,对其进行线性屈曲分析和非线性屈曲分析,得出吊臂的临界载荷,为吊臂的稳定性提供重要依据;在进行静力分析的基础上,为设计出更能发挥材料力学性能、更合理截面的吊臂,以吊臂结构最小柔顺性为目标,材料体积为约束建立吊臂拓扑优化数学模型,得出拓扑优化截面图为设计人员提供结构优化参考方案,并根据实际经验进行进一步优化设计,得出最优截面,并评估对比了新、旧吊臂的性能。本课题的研究和实践证明,运用三种软件相结合对吊臂进行了有限元分析大幅度提高了有限元分析的效率;对吊臂截面进行拓扑优化为吊臂设计、改造和优化提供实际的参考和指导,更重要的是具有良好的经济价值和实际意义,特别是在新产品开发中能大幅度的缩短研发时间,降低研发费用,提高产品设计质量,提升企业核心竞争力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及来源
• 1.2 越野轮胎起重机与其他移动式起重机的区别
• 1.3 与论文研究相关的国内外发展状况
• 1.3.1 国外越野轮胎起重机发展状况
• 1.3.2 国内越野轮胎起重机发展状况
• 1.3.3 吊臂有限元分析国内外发展概况
• 1.4 课题研究的主要内容和意义
• 1.4.1 研究的主要内容
• 1.4.2 课题研究的意义
• 第2章 越野轮胎起重机吊臂的结构分析
• 2.1 越野轮胎起重机结构组成
• 2.2 吊臂截面的选取
• 2.3 越野轮胎起重机吊臂载荷分析
• 2.3.1 吊臂载荷确定
• 2.3.2 吊臂惯性力计算
• 2.3.3 吊臂在变幅和回转平面内的载荷分析计算
• 2.4 吊臂的变形分析计算
• 2.5 伸缩机构的伸缩方式对吊臂起重性能和受力影响
• 2.5.1 吊臂伸缩机构种类
• 2.5.2 伸缩方式对起重性能的影响
• 2.5.3 伸缩方式对吊臂受力的影响
• 2.5.4 伸缩机构伸缩力的分析计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 越野轮胎起重机吊臂整体有限元分析模型
• 3.1 有限元方法的基础知识
• 3.1.1 有限单元法的提出、发展和应用
• 3.1.2 有限元方法的基本原理和特点
• 3.1.3 有限元方法分析过程
• 3.2 越野轮胎吊臂有限元分析思路及流程
• 3.3 吊臂有限元分析相关软件介绍
• 3.3.1 I-DEAS 软件的简介
• 3.3.2 HyperMesh 软件的简介
• 3.3.3 ANSYS 软件简介
• 3.4 建立吊臂有限元模型
• 3.4.1 I-DEAS 实体建模及简化
• 3.5 吊臂有限元前处理
• 3.5.1 单元选取和相关单元的简介
• 3.5.2 几何清理及网格划分
• 3.5.3 吊臂工况确定
• 3.5.4 吊臂有限元模型的边界条件
• 3.6 本章小结
• 第4章 越野轮胎起重机吊臂有限元静态分析与实验研究
• 4.1 越野轮胎吊臂有限元静态计算与分析
• 4.1.1 四种常用强度理论
• 4.1.2 三大工况下吊臂的强度和刚度计算结果与分析
• 4.2 有限元分析结论及改进建议
• 4.3 越野轮胎起重机试验研究
• 4.3.1 吊臂试验基本流程
• 4.3.2 吊臂的实验原理及准备
• 4.3.3 实验测试方法及数据记录
• 4.3.4 数据处理及验证有限元结果的正确性
• 4.4 本章小结
• 第5章 越野轮胎起重机吊臂整体稳定性分析
• 5.1 屈曲分析简介
• 5.2 吊臂整体稳定性的屈曲理论解
• 5.3 吊臂屈曲分析
• 5.3.1 ANSYS 吊臂线性屈曲分析
• 5.3.2 吊臂非线性屈曲分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 越野轮胎起重机吊臂截面优化设计
• 6.1 拓扑优化的基本原理与方法
• 6.1.1 基结构法
• 6.1.2 均匀化法
• 6.1.3 变密度法
• 6.2 吊臂截面优化方法的比较和选取
• 6.3 基于变密度的吊臂截面拓扑优化数学模型的建立
• 6.4 Optistruct 拓扑优化简介
• 6.4.1 OptiStruct 结构优化方法简介
• 6.4.2 OptiStruct 结构优化设计流程
• 6.5 越野轮胎起重机吊臂拓扑优化
• 6.5.1 吊臂优化模型的选取
• 6.5.2 吊臂拓扑优化有限元模型
• 6.5.3 拓扑优化模型上施加边界条件和优化设置
• 6.5.4 拓扑优化结果
• 6.6 基于密度云图的吊臂设计
• 6.7 优化前后结果对比
• 6.7.1 优化前后强度及刚度对比
• 6.8 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所发表的论文