基于有限元的臂架系统非线性分析方法研究及应用

论文摘要

臂架作为履带起重机的主要承载结构件,其设计和制造质量直接关系着起重机的整机安全性。对大型履带起重机的长臂架系统,一般臂架柔度较大,而且在起臂和作业时均受自重与轴向载荷的作用,从而导致大变形和应力,属于非线性范畴。为了改善其应力及变形,需要增加腰绳辅助装置,但这使得受力分析变得更为复杂。本文的目的在于研究臂架系统的非线性计算方法,将其应用于超长臂架系统的分析及腰绳结构的设计计算中,分析其非线性影响,进而掌握这类臂架的受力规律,指导实际设计。本文根据几何非线性有限元分析理论,采用稳定函数法和带动坐标的混合法,对臂架系统几何非线性的两个主要影响因素(大变形效应和弯矩轴向力组合效应)进行处理;针对臂架系统,提出了有限元计算的模型简化方法以及边界条件的模拟方法,并在此基础上编制了用于臂架系统非线性分析的有限元程序,通过计算说明了臂架系统的非线性影响不容忽视。本文还研究了臂架系统的非线性分析在ANSYS中的实现方法,将其计算结果与本文所提出实现方法的计算结果进行对比,验证了本文所提出的实现方法和程序的合理性、可行性。最后,本文将臂架系统非线性分析的有限元程序应用于腰绳设计中,以大连理工大学机械工程学院和徐工集团徐州重型机械有限公司合作开发的450t履带起重机为实例,研究了腰绳计算中的非线性影响,对腰绳设计参数(包括腰绳长度及安装位置)作了影响分析,提出了补偿式腰绳结构,并且验证了该结构的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 履带起重机概述
• 1.1.1 履带起重机的结构组成
• 1.1.2 履带起重机的现状及发展趋势
• 1.2 课题研究的背景
• 1.3 课题研究的目的及方法讨论
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 臂架系统几何非线性分析的有限元法
• 2.1 臂架系统的几何非线性分析
• 2.1.1 臂架系统的结构特点
• 2.1.2 臂架系统的几何非线性因素
• 2.2 几何非线性有限元方程的数值解法
• 2.2.1 增量法
• 2.2.2 迭代法
• 2.2.3 混合法
• 2.2.4 带动坐标的混合法
• 2.3 非线性分析中关键问题的处理
• 2.3.1 增量步长选择
• 2.3.2 收敛准则
• 2.4 本章小结
• 3 臂架系统非线性分析有限元程序的实现
• 3.1 臂架系统的有限元模型
• 3.1.1 臂架系统的结构组成
• 3.1.2 模型的简化方法
• 3.2 臂架系统模型边界条件的模拟方法
• 3.2.1 边界条件
• 3.2.2 模拟方法
• 3.3 臂架系统非线性分析程序
• 3.3.1 程序的特点、功能和适用范围
• 3.3.2 程序的内部规定
• 3.3.3 程序的内部结构
• 3.3.4 非线性计算主程序
• 3.4 臂架系统的非线性影响分析
• 3.5 本章小结
• 4 臂架系统非线性分析在ANSYS中的实现
• 4.1 ANSYS软件简介
• 4.2 臂架系统的单元选取
• 4.3 几何非线性在ANSYS中的分析方法
• 4.3.1 牛顿—拉普森方法（NR方法）
• 4.3.2 结构非线性分析的一般步骤
• 4.4 算例分析与结果对比
• 4.5 本章小结
• 5 臂架系统非线性分析程序在腰绳设计中的应用
• 5.1 腰绳辅助装置简介
• 5.2 腰绳计算中的非线性影响分析
• 5.3 腰绳设计参数影响分析
• 5.3.1 腰绳长度影响分析
• 5.3.2 腰绳安装位置影响分析
• 5.4 超起型臂架系统腰绳设计
• 5.4.1 补偿式腰绳工作原理
• 5.4.2 算例分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢