基于ANSYS的龙门起重机门架结构动态设计与优化研究

论文摘要

全球经济一体化和我国对外贸易的持续增长,带动了我国港口物流运输行业的蓬勃发展。因此,我们对作为港口物流运输的主要工具的起重机械的性能要求也越来越高。具体来说,就是要求起重机械的额定起重量越来越大,运行速度越来越快。这使得机械运行时的动载荷随之增大。另外,由于起重机在工作过程中,运动状态经常发生变化,存在着诸多不稳定工况,主要包括载荷起升离地、载荷空中起升、载荷起升过程中制动、载荷起动下降、载荷下降过程中制动、突然卸载、行走时冲击及碰撞、小车起动和制动等,在这些工况下起重机的结构和机构都受到不同程度的冲击和振动影响。这样以来,在对起重机械进行设计时就不得不考虑各种动载对机械结构的冲击影响,需要以动态设计的方法来对起重机械进行设计。而多年以来,起重机设计大都将静强度作为主要设计准则,即通常以动载系数的方法来考虑其在工作时所受的动载荷作用,将静载荷增大一定的倍数作为等效的动载荷,在计算时采用静力计算的方法,这实际上仍是静态设计的方法。另外,我国在对起重机进行的大多数有限元分析中,往往只是分析起重机金属结构的承载性能,对整机的分析多采用分步计算的方法。分步计算将整机分解,以支反力实现模型间的关联,可以减小建模的难度。此种方法由于简化了整机各部分的联系,故很难说其结果对整机动力(?)性能的反映是全面的。本文基于动力学分析理论和有限元计算方法,使用大型通用有限元分析软件ANSYS,建立了龙门起重机整机的有限元模型,对模型进行模态分析和瞬态分析。分别得到了龙门起重机前十阶固有频率、振型和载荷起升离地过程的动载系数。论文的主要内容有:根据起重机动力学理论,使用ANSYS软件,建立龙门起重机整机有限元模型,该模型包括壳单元、实体单元以及弹簧单元;对上述模型进行模态分析得到模型的前十阶固有频率和振型,校核了龙门起重机额定载荷情况下的动刚度;对整机模型进行瞬态分析,得到了在载荷离地工况和小车运行工况中的系统响应特性(包括应力和位移);建立门架结构的梁单元模型,根据前面动力分析得到的系统响应特性对门架结构进行优化,减少自重,节省成本。总之,龙门起重机的动力学分析,是将先进的设计、分析应用于龙门起重机设计中,为设计经济、可靠、稳定和高性能的龙门起重机提供有力的工具和实现方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外相关研究动态
• 1.2.1 动力学分析理论及应用
• 1.2.2 机械系统建模与动态分析应用软件简介
• 1.3 课题研究内容
• 第2章 基于有限元法的动态设计理论
• 2.1 动态设计的基本理论
• 2.1.1 机械系统动力学
• 2.1.2 机械系统动力学模型的建立
• 2.2 有限元法理论
• 2.2.1 有限元法概述
• 2.2.2 有限元法分析的过程
• 2.3 基于有限元法的动力学问题
• 2.3.1 动力学方程
• 2.3.2 单元质量矩阵
• 2.3.3 单元阻尼矩阵
• 2.4 本章小结
• 第3章 龙门起重机模态分析
• 3.1 起重机动力学问题
• 3.2 模态分析理论
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 模态坐标与模态参数
• 3.2.3 基于ANSYS的模态分析方法
• 3.3 龙门起重机模态分析
• 3.3.1 龙门起重机模态分析的目的
• 3.3.2 基于ANSYS的LMQ120t-32m龙门起重机模态分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 龙门起重机瞬态分析
• 4.1 结构动力响应的计算方法
• 4.1.1 直接积分法
• 4.1.2 振型叠加法
• 4.2 基于ANSYS的瞬态动力学求解方法
• 4.3 基于ANSYS的LMQ120T-32M龙门起重机瞬态分析
• 4.3.1 载荷突然离地工况瞬态分析
• 4.3.2 小车满载运行工况瞬态分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于动力学分析结果的优化
• 5.1 概述
• 5.2 优化设计法的基本理论
• 5.2.1 优化设计的数学模型
• 5.2.2 优化设计算法
• 5.3 基于ANSYS的龙门起重机门架结构优化设计
• 5.3.1 参数化设计语言APDL
• 5.3.2 ANSYS中的优化设计方法
• 5.3.3 门架的参数化建模与优化设计结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在攻读硕士期间发表的论文与参加的科研项目