双梁桁架式龙门起重机主梁优化设计及模态分析_资料下载.pdf
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本论文旨在对我国桁架门式起重机现行设计方法做一些改进和探索,在起重机设计中采用优化设计和有限元分析,必须要结合实际情况,对不同条件和状况要注意对于优化结果进行必要的分析和修正。
本文的研究为起重机运用有限元方法进行设计提供了一定的辅助和参考作用。
关键词:
桁架门式起重机;
有限元;
优化设计;
模态分析西南交通大学硕士研究生学位论文第页AbstractThiSthesiselaboratesthesituationdynamicstateandthedirectionofthedevelopmentofthelogistiesequipmentdomesticandabroadcurrently,andtheimportantfunctionofthelogisticsequipmentinmodemmanufacturingindustqr田地PaperalSOstudieSthepresentconditionofthetrussgantryclauehomeandabroad,andputforwardakindofoptimizationtothemaingirder,accordingtotheshortcomingsthatthemainbeamofthetrussgantrycraneisoverweighted,anditneeIdsmorematerialsWiththeincreasingmamrilyandperfectionoffiniteelementsoftware,thefiniteelementmethodismoreandmoreappliedinstructuralanalysisofthegantrycraneThispaperanalyzesmaingirderofthetrussgantrycranewithANSYS,andcarryoutoptimizeddesignThevitalquestionsaresolvedinoptimizationprocessasfollows:
1EstablishingthetrussgirdergantrycranesmathematicalmodeloftraditionaloptimumdesignandoptimizingthemaingirderwithMDODprocess2AccordingtOthetrussgantrycranesstructure,appropriatesimplifyingit,andestablishingparametricfiniteelementmodelwhichcanaccuratelyreflectsactualsituation3Determiningthevaluerangeofdesignvariablesusingsensitivityanalysis,optimizingthemaingirderwithANSYSandfindingouttheoptimalsolutionofsectionparameters4Takethe10t-22mgirdergantrycraneforexample,carryingoutstaticanalysisandmodalanalysiswithANSYSneresultsareconsistentwiththeactualsituatiThethesisismainlytodosomeimprovingandexploringtomodemdesignmethodoftrussgantrycraneTheapplicationoftheoptimaldesignandfiniteelementanalysismustbecombinedwiththepracticeinthedesignoferaneTheresultneedsanalyzingandmodifyingnecessarilybecauseofthedifferentworkingconditionsThepaperCallprovideassistanceandreferenceforcranedesignwiththefiniteelementmethodKeywords:
Trussgantrycrane;
Finiteelement;
Optimization;
Modalanalysis西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确的说明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本学位论文的主要创新点如下:
(1)根据起重机设计规范建立桁架式龙门起重机主梁传统优化设计的数学模型,采用MDOD程序进行优化设计。
(3)本文基于有限元软件ANSYS的优化模块,以结构自重作为目标函数,主梁的截面尺寸作为设计变量,对主梁结构进行优化设计,得到主梁截面参数的最优解,此优化结果比传统优化设计结果更加精确。
西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论11起重机的发展概况及作用111起重机的发展概况自有人类文明以来,物料搬运便成为人类活动的重要组成部分,距今已有五千多年的发展历史。
随着生产规模的扩大,自动化程度越来越高,作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广泛,因此起重运输机械在国民经济中有着十分重要的地位。
提高起重运输机械的生产效率,确保运行的安全可靠性,降低物料搬运成本是十分重要的。
据统计,在美国每百元工业生产成本中,物料搬运费用约占20-25,美国某厂生产流程中物料搬运所用的工时占总生产周期的20。
英国每年用于工厂及工地物料搬运的费用高达10亿英镑,相当于全国工资支出的九分之一。
1974年英国工业部下属的物料搬运费用调查委员会曾对30家公司进行调查指出:
“工序间的物料搬运费用占加工费的12以上,如加上工序内和工厂外的搬运费用估计要达到成本的20-25”。
前苏联用于运输的费用每年高达867亿卢布,其中装卸费用为217亿卢布,占总运输费用的四分之一。
德国Demdg公司也曾做过详细调查,证实物料搬运费用占生产费用的45(工序间物料搬运费用占30,工序内的物料搬运费用占15)。
我国东风汽车厂也做过统计,汽车零件在工厂中的加工工时仅占5,其他95的工时都用在搬运和储存之中。
生产1吨产品要把物料提升50吨次,生产1吨铸件要搬运80吨次,东风汽车厂的生产能力原定为10万辆,物料搬运设备占了总设备的很大部分。
由此看到,作为物料搬运设备重要组成部分的起重机的需求量是十分可观的,起重机械行业有着广阔的前景。
科学技术的飞速发展,推动了现代设计和制造能力的提高,激烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争。
这些都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段,起重机正经历着一场巨大的变革。
起重机正向大型化、高速化、自动化和智能化方向发展,这也是社会发展的必然要求。
“1西南交通大学硕士研究生学位论文第2页长期以来,起重机的设计方法多采用以经典力学和数学为基础的半理论、半经验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法,设计过程反复多,周期长,设计的精确度较低。
近年来随着电子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程、人机工程等现代设计理论的不断发展,促使许多跨学科的现代设计方法出现,使起重机的设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。
112起重机的有关概念1起重机的构成起重机是物料搬运的主要设备,起重机由金属结构、动力装置、工作机构和控制系统四大部分组成。
(1)金属结构金属结构是起重机的骨架,是安装各机构和支托它们全部重量的主体部分。
(2)动力装置动力装置是起重机的动力源,是起重机最重要的组成部分。
它在很大程度上决定了起重机的性能和构造特点。
(3)工作机构工作机构为实现起重机不同运动要求而设置,不同类型的起重机工作机构有所不同,起重机最基本的工作机构有起升、变幅、回转和行走四大工作机构。
(4)控制系统控制系统包括操纵装置和安全装置。
通过控制系统实现各机构的启动、调速、换向、制动和停止,从而达到起重机作业所要求的各种动作,同时,保证起重机的安全作业。
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页2起重机的类型和用途起重机有桥架型、缆索型和臂架型。
根据用途和使用场合的不同,起重机有多种形式,但其共同特点是整机结构和工作机构较为复杂,工作时,能独立和同时完成多个工作动作。
因本文研究对象是桁架式门式起重机,属于桥架型起重机,就着重介绍桥架型起重机。
桥架型起重机主要有梁式起重机、桥式起重机、装卸桥和门式起重机四种类型。
其特点是吊钩悬挂在可沿桥架运行的起重机小车或起重葫芦上,使重物在空间垂直升降和水平移动。
(1)梁式起重机采用电动梁结构,跨度小,结构简单,在地面操作起重机的工作,用于起重量较小的工作场所
(2)桥式起重机采用电动双梁桥式结构,主梁为箱型结构,强度高。
跨度大,在主梁下有操纵驾驶室,用于起重量大,工作速度快的工作场所。
(3)装卸桥起重机多采用桁架结构,主梁跨度大,要求起重小车运行速度快,从而保证装卸生产率,用于冶金厂,发电厂、码头装卸散料以及港口集装箱的装卸工作。
(4)门式起重机桥架两端通过两侧支腿支撑在地面轨道或基础上的桥架型起重机,类似“门”字的形状,亦称龙门起重机,起重量大,广泛应用于工厂、货场、码头和港口的各种物料装卸和搬运工作。
3起重机的主要性能参数起重机的基本参数是说明起重机械的工作性能和技术经济指标,是设计起重机械的技术依据,也是生产使用中选择起重机械技术性能的依据。
(1)起重量Q起重机起吊重物的质量称为起重量,一般以吨为单位,但是按照国际单位制应以牛顿为单位,起重量依国家标准已成为一个系列,起重机设计时须按照这一系列进行。
起重量大的桥式起重机常备有主副两套起升机构,副钩的起重量约为主钩的五分之一到三分之一。
“1西南交通大学硕士研究生学位论文第4页
(2)起升高度H起升高度是指自地面或轨面到吊钩口中心的距离,单位为米,通常用额定起升高度表示。
(3)跨度L指桥式起重机大车运行轨道中心线之间的距离,单位为米,国标中有桥式起重机跨度的标准系列。
(4)工作速度V指起重机的各机构(起升、运行、交幅和旋转)的工作速度,单位为米分,机构的工作速度是根据工作要求来定的。
(5)外形尺寸和自重这是任何一种机器应有的技术经济指标,它不仅是说明起重机械本身性能优劣的数据,而且直接影响基建费用的投资,因此,应十分重视减轻自重和减小外形尺寸,以达到紧凑而轻便。
113起重机械在物料搬运中的作用起重运输机械作为物料搬运工具,装备着国民经济的各个部门,在现代化生产中占有重要地位。
起重运输机械,在完成一个工作过程中,一般包括“储、装、运、卸”作业,因而对于提高生产能力、保证产品质量、减轻劳动强度、降低生产成本、提高运输效率、加快物资周转、流通等方面均有着重要的影响,对安全生产、减少事故更有显著作用。
现代的搬运技术已超越了单纯地减轻体力劳动这一传统概念,必须根据系统的需要,及时地、迅速地、有节奏地将必要的原材料或零部件,在规定的时间里,送到必要的工艺位置上,否则,现代化的生产是不可能的。
如果看看现代化大规模生产的汽车工业、冶炼工业、电子工业以及先进高效的加工中心、数控机床、装配自动线,就会深深感到我国的物料搬运机械与工业发达国家相比有很大差距。
物料搬运技术已成为现代工业中最薄弱、最迫切需要解决的问题之一。
随着现代工业的迅速发展和生产规模的扩大,物料搬运费用在生产成本中的比例越来越高,从而可以看出,提高物料搬运技术将是降低产品成本最有潜力的一个途径。
如在机械工业方面,所有制造工业的每道工序以及工序之间都需要装卸、运输、堆垛等作业的配合。
搬运作业贯穿生产的全过程中,物料搬运机械把西南交通大学硕士研究生学位论文第5页各道工序有机地连接起来,成为整个生产系统的一个组成部分。
机械工厂的搬运次数是很频繁的,每生产一吨产品,一般在机械加工方面约为五十吨的装卸搬运量,在铸造方面约为八十吨搬运量。
物料搬运费用在整个生产中几乎与机械加工费用相等。
嘲114起重机的现代设计方法n钉国内外起重机械的设计方法最初多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计方法,设计过程反复多,周期长,设计的精度差。
随着计算机技术的广泛应用和各种现代设计理论,如系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程、人机工程等的不断发展,促进许多跨学科的现代设计方法出现。
这些新方法和门式起重机结合,使门式起重机设计进入崭新的高质、高效率的新阶段。
1有限元法有限元法从20世纪70年代开始推广到目前已是设计分析复杂结构最有效的方法。
结构的有限元分析涉及力学原理、数学方法等几个方面,各方面相互结合形成完整的分析方法。
有限元方法一般典型的步骤为:
将结构划分成单元;
单元特性分析;
集合成整体;
数值求解。
有限元方法与工程应用密切结合,直接为产品设计服务,因而随着有限元理论的发展与完善和计算机技术的广泛应用,各种大大小小、专用的、通用的有限元结构分析程序大量涌现出来。
此类程序一般包括结构静力分析、动力分析、稳定性以及非线性分析等,一般的工程结构分析问题都可以直接用此类程序解决。
在此基础上,结构有限元分析与产品设计结合起来,形成产品分析、设计、制造一体化,将是工程生产的发展方向。
目前,在我过经济建设过程中,推广有限元的应用,以改进产品设计、提高产品性能,更是非常现实的问题。
2优化设计我国机械产品的优化设计方法推广应用始于70年代末,近30年来已取得了丰硕的成果。
西南交通大学硕士研究生学位论文第6页优化设计是数学规划与计算机技术相结合的产物,是解决复杂设计问题的一种有效方法。
由于起重机设计长期以来一直采用经验类比设计方法,不仅需要花费较多的设计时间,设计的周期也长,而且只限于在少数几个候选方案中进行比较分析,同时选择的方案也没有十分精确的评价标准来衡量其优劣,一般很难得到最优的设计方案。
随着电子计算机技术的发展与应用,可以用优化设计方法快速有效的建立设计过程最优方案的自动择取。
起重机设计采用优化方法,能根据产品要求,合理确定和计算各项参数,以期达到最佳的设计目标,例如重量、成本、性能和承载能力等。
优化设计把设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参量的函数(称目标函数),然后在产品规定的性态、几何运动及其它限制(称约束函数)的范围内,寻找使目标函数最大或最小的设计变量组合,起重机设计采用优化方法,可根据产品要求,合理确定和计算各项参数,以期达到最佳的设计耳标,例如重量最轻、成本最低、性能最优、承载能力最大等。
3可靠性设计随着现代工业技术的发展,起重机的作用越来越大,功能逐渐增加,而使用条件却很苛刻,导致发生故障的机会增多,造成的后果愈加严重,因此可靠性问题日益尖锐,成为国际市场上产品竞争的焦点。
可靠性设计就是从安全和经济两方面考虑,事先确定出产品最小失效概率的一种设计方法,其目的就是在费用允许的条件下,尽量防止产品失效的发生,设计出高可靠性的产品。
可靠性设计包括确定可靠性指标及其量值、失效分析、可靠性分析、可靠性分配、可靠性验证等。
4计算机辅助设计(CAD)利用计算机快速准确的计算功能、强大的数据处理能力及便利的绘图功能,配以打印、绘图设备等,通过人机对话实现产品设计过程的自动化即CAD技术。
目前CAD已逐步深入到设计的各个阶段和设计工作所涉及的各个领域,试图最大限度的发挥设计人员的创造力和经验。
所有这些新的设计计算方法都借助于计算机这一现代化工具,从广义上讲,所有新的设计计算方法西南交通大学硕士研究生学位论文第7页都可以通称为计算机辅助设计方法。
5动态仿真设计起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统,其动态性能受多种因素影响,运动参数和载荷不能用一个简单的数学模型描述。
以往由于设计者缺乏有效的理论和工具,所以起重机设计往往以静态为主,显然这种设计方法有局限性。
要准确分析起重机的动态性能,实验是一个有效的方法,它可以随时间测量所受的载荷和结构响应。
但起重机实测在产品制成以后才有可能,这种做法风险大、成本大、费时费工。
国内外近年来在起重机设计中采用了动态仿真设计新方法,即用计算机对机构与结构在各种工况下承受载荷进行运行状态及随时间变化过程的动态模拟,得到仿真输出参数和结果,以此来估计和推断实际运行的各种数据,并在对起重机进行动态分析计算中采用。
6反求工程设计反求工程设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。
反求工程设计通过实物或技术资料对己有的先进产品进行分析、研究、解剖和试验,了解其参数、性能、构造和功能,掌握其关键技术、工作机理和工艺原理,以进行仿制、改进和发展创造新产品的一种方法。
相对于一般设计,反求工程设计突出“求”的环节。
通过反求分析,对反求对象从功能、原理、方案、结构、尺寸、材料、加工装配工艺等有全面深入了解,明确关键功能和关键技术,对技术中的特点和不足之处做出必要评估,在此基础上进行测绘仿制、变参数设计、适应性设计或开发型设计。
77模块化设计模块化设计是将产品上同一功能的基本部件、元件、零件设计成具有不同性能、不同用途的模块、这些模块具有相同的联接要素,可以互换。
选用不同的模块进行组合,可行成各种不同类型和不同规格的产品。
根据市场调查预测的统计数字和积累的资料、图表、图线规律,在严密的科学理论指导下,拟定起重机结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。
起重机采用模块单元化设计,不仅是一种设计方法的改革,而且将影响整个起重机西南交通大学硕士研究生学位论文第8页行业的技术、生产和管理水平,老产品的更新换代、新产品的研制速度都将大大加快。
对起重机的改进,只需针对几个需要修改的模块:
设计新型起重机只需选用不同的模块重新进行组合:
提高了通用化程度,可使单件小批量的产品改换成相对批量的模块生产,实现工艺过程的典型化和工装标准化,可采用高效率的设备组织专业化生产线和开展社会化协作。
亦能以较少的模块形式,组合成不同功能和不同规格的起重机,满足市场的需求,增加竞争能力。
起重机由具有标准接口的模块组合而成,装拆简单,运输方便,备件也大量通用,简化了维护和修理。
模块化设计主要适用于成批生产的起重机系列设计。
12本论文的选题背景以及研究内容121论文的选题背景现代科技的发展,起重机设计计算方法不断充实和完善,桁架式龙门起重机性能日益提高,使得国内外市场竞争越来越激烈。
当前,大多企业利用缩短产品的设计制造周期来提高经济效益和市场竞争力。
但目前桁架结构的强度、刚度分析主要运用大型有限元软件进行计算分析,针对不同的给定条件都需计算出不同的截面以及形状参数,工作量大,分析周期长,难适应现代投标快速制定方案的要求。
事实上桁架结构外形一致,对于不同的给定条件,例如起重
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