基于双向渐进结构优化法的门座式起重机臂架轻量化设计研究

摘要

近年来，人们越来越关注低碳经济、绿色环保等相关问题，轻量化技术也越来越受到重视。以往起重机的结构设计大多采用类比设计和经验设计，为了保证结构安全可靠，取较大的安全系数，造成了材料的浪费，因此对起重机结构的轻量化研究成为当前的一项重要研究内容，开展起重机的轻量化设计对促进绿色低碳经济的发展也具有重要意义。而起重机臂架结构作为其主要承载结构，其性能的好坏起着至关重要的作用。因此对起重机臂架结构进行轻量化设计研究具有重要的理论价值与工程实际意义。
　　本文利用ANSYS参数化设计语言APDL进行二次开发，编写双向渐进结构优化法优化算法及数值实现程序，利用所编写的程序对起重机臂架结构进行拓扑优化，得到臂架结构材料的最优分布形式，基于拓扑优化后的臂架形式对其进行进一步的构型修整，最终获得完整的臂架结构。本文主要研究成果如下：
　　（1）首先分析了ESO方法的基本思想和原理，并给出了ESO方法的算法流程图，在此基础上指出了ESO方法在实际优化过程中存在着的一些数值不稳定问题。进而将研究重点转向更为先进的BESO方法，在ESO方法的研究基础上充分剖析了BESO方法的原理。
　　（2）在ANSYS软件中，利用ANSYS的参数化设计语言APDL进行二次开发，分别编写了ESO方法和BESO方法的算法实现程序。利用所编写的两种算法程序分别对某一具体的算例进行拓扑优化设计，通过对算例的分析，验证了这两种算法程序的正确性及可行性，并从两种方法优化结果的对比中，证明了BESO方法比ESO方法更为先进、可靠。
　　（3）采用更为先进的BESO方法从最初满设计域的长方体区域出发，对臂架结构进行截面形状优化，得到臂架截面的最优形式为箱型结构。为后面直接以箱型截面的臂架作为初始设计模型提供依据。
　　（4）在 ANSYS软件中建立臂架结构的有限元模型，利用所编写的 BESO方法的程序对臂架进行拓扑优化设计，得到臂架材料的最优分布形式。对优化后的臂架结构进行构型修整，建立修正后完整的臂架有限元模型并对其进行分析与校核，通过与优化前原臂架结构的对比分析，验证了本次优化设计的合理性、可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究水平及现状

1.3 论文主要研究内容

第2章 渐进结构优化法和双向渐进结构优化法研究

2.1 引言

2.2 渐进结构优化法

2.3 双向渐进结构优化法

2.4 BESO方法对臂架优化方案的制定

2.5 本章小结

第3章 ESO方法和BESO方法在ANSYS中的实现

3.1 ANSYS软件及其二次开发

3.2 基于APDL的两种渐进结构优化法的实现

3.3 实现过程中的几个关键技术

3.4 本章小结

第4章 基于BESO方法的起重机臂架截面形状优化

4.1 起重机的臂架结构

4.2 臂架结构截面形状优化

4.3 臂架截面形状优化的结果分析

4.4 本章小结

第5章 基于BESO方法的起重机臂架轻量化研究

5.1 臂架结构有限元模型

5.2 BESO 方法对臂架优化过程及结果分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的项目与取得的成果