起重机伸缩臂综合性能及其多目标优化设计研究

摘要

起重机械广泛应用于土木建筑、交通运输、港口、矿山、化工、冶金及水利等国民经济部门和领域的物质生产和物资流通中。伸缩臂是起重机的关键承载部件，其性能直接影响起重机的整机性能。但是目前相关研究主要集中在伸缩臂截面形式的选取和轻量化设计上，兼顾强度、刚度、疲劳寿命及自身重量等各方面性能的多目标优化设计还比较少见。因此，本文采用参数化有限元模型、响应面近似模型和全局数值寻优算法相结合的方法，对伸缩臂的动静态性能、疲劳寿命以及轻量化的多目标优化进行深入而系统的研究。本文的主要研究内容有:
　　 (1)概述了伸缩臂截面结构的发展状况和结构优化的层次;分析了起重机臂架设计与优化以及基于近似模型的结构优化方法的国内外研究现状。
　　 (2)利用CAD软件建立了伸缩臂的三维参数化实体模型;在此基础上，采用接触算法建立了考虑接触和摩擦问题的伸缩臂有限元模型;随后分析了各工况下伸缩臂的静力学性能;为了验证有限元建模方法的可行性和所建模型的准确性，对伸缩臂的应力应变性能进行了试验研究。
　　 (3)在静力学分析的基础上，采用名义应力法对伸缩臂的疲劳寿命进行了估算;采用所建立的有限元模型，分析了伸缩臂的动态性能。
　　 (4)以伸缩臂的截面尺寸为优化设计变量，采用最优拉丁方试验设计方法和响应面函数构建起伸缩臂各响应值与设计变量的近似模型;以伸缩臂整体质量以及工况1和工况2下伸缩臂的第一阶固有频率作为优化目标，第2、3阶固有频率和伸缩臂的强度、刚度以及疲劳寿命作为约束，建立伸缩臂的优化数学模型;采用改进型非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)在近似模型内进行多目标寻优，完成伸缩臂的优化设计。
　　 本文的研究工作为起重机伸缩臂的设计优化提供了理论依据;提出将参数化建模、有限元仿真、疲劳分析和数值寻优算法相结合的多目标优化方法，也可为其它机械结构的设计优化研究提供参考。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 起重机伸缩臂结构发展概述

1．2．2 结构优化的层次

1．2．3 起重机臂架设计与优化的研究现状

1．2．4 基于近似模型优化方法的研究现状

1．3 论文研究的目的及主要内容

1．4 本章小结

第2章 考虑接触问题的伸缩臂有限元建模研究

2．1 引言

2．2 接触问题的基本理论

2．2．1 接触问题的基本方程

2．2．2 接触界面定义与接触状态判定

2．2．3 接触界面的定解条件和校核条件

2．2．4 接触问题的有限元求解方法

2．3 伸缩臂参数化实体模型的建立

2．3．1 SQ200型随车起重机主要结构

2．3．2 伸缩臂工作原理

2．3．3 参数化设计理念

2．3．4 三种建模技术路线

2．3．5 伸缩臂三维参数化实体模型建立过程

2．4 考虑接触问题的伸缩臂有限元模型建立

2．4．1 有限元模型的建立

2．4．2 伸缩臂的接触定义

2．5 本章小结

第3章 伸缩臂静力学分析与试验研究

3．1 引言

3．2 伸缩臂有限元静力学分析

3．2．1 使用工况分析

3．2．2 施加载荷与约束

3．2．3 计算结果分析

3．3 伸缩臂应力试验

3．3．1 试验目的

3．3．2 试验方法与测试系统

3．3．3 测试工况与试验方案

3．3．4 试验数据记录与处理

3．4 有限元仿真结果与试验结果对比分析

3．5 本章小结

第4章 伸缩臂疲劳寿命评估与动态性能分析

4．1 引言

4．2 伸缩臂疲劳寿命评估

4．2．1 基于名义应力法的疲劳寿命评估

4．2．2 伸缩臂疲劳载荷谱获取

4．2．3 伸缩臂材料的疲劳特性

4．2．4 伸缩臂疲劳寿命估算结果

4．3 伸缩臂结构模态分析

4．3．1 模态分析基本原理与有限元求解

4．3．2 伸缩臂结构模态分析结果

4．4 本章小结

第5章 基于响应面模型的伸缩臂多目标优化设计

5．1 引言

5．2 基于最优拉丁方试验设计方法的优化参数筛选

5．2．1 优化参数的选取

5．2．2 设计空间内优化参数的筛选

5．3 伸缩臂响应面模型的建立

5．3．1 响应面近似模型

5．3．2 基于最小二乘法建立伸缩臂的响应面模型

5．3．3 伸缩臂响应面模型的精度验证

5．4 伸缩臂的多目标优化设计

5．4．1 优化数学模型

5．4．2 优化结果分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录