直臂式甲板起重机底座和吊臂结构优化研究

摘要

直臂式甲板起重机在大多数船舶上都有配备，是货物装卸和搬运的常用设备。底座和吊臂是直臂式甲板起重机整体结构中最关键的，也是受力最复杂的两个构件。底座承受着起重机所有的外载荷及其自身重量，结构合理和承载能力强是对底座的基本要求;吊臂是吊重与起重机回转体之间的桥梁，不但要求承载能力强，还要尽量做到重量轻。总之，底座和吊臂结构的合理性和承载能力对整机性能的影响非常大。
　　本文基于某公司产品5t20m直臂式甲板起重机，分析了底座和吊臂的受力情况，并对底座人孔做形状优化，对吊臂做拓扑优化，并根据拓扑优化结果对吊臂结构做相应的改进，以达到减轻重量、提高整机性能的目的。本文主要工作内容和研究成果如下:
　　1.优化空间分析。了解甲板起重机方面相关资料，运用传统解析法对起重机底座和吊臂进行设计校核，又运用现代有限元法，利用ANSYS软件对底座和吊臂做静力学分析。通过两种方法计算结果的对比，说明了以传统解析法设计出的底座和吊臂结构不合理，存在优化空间。
　　2.对起重机底座人孔形状优化。对底座进行参数化建模，首先对底座上人孔位置的布置做合理性分析，分析结果表明人孔布置在底座的中间部位最合理。在此基础上，以人孔圆角半径和底座简体壁厚为设计变量，以应力值为状态变量，以底座体积为目标函数，对底座人孔做形状优化。优化结果表明:随着底座壁厚的明显减小和人孔圆角半径的增大，应力没有明显变大，说明了增大人孔圆角半径可有效降低应力集中，底座优化后的总重量比优化前有大幅度减小。最后得出人孔的设计原则:人孔应设在底座的中部位置，且在不影响其使用功能的情况下应让人孔圆角半径尽量大。
　　3.对吊臂的拓扑优化研究。对吊臂模型做合理的简化，选定吊臂的两个侧板为优化区域，设定去除材料比例为20％，设定合理的约束条件和优化参数。最终得到了箱型吊臂的拓扑结果，从材料密度云图上得到了两侧板的材料密度重新分配的情况。并根据拓扑优化结果，提出了吊臂结构的改进方案:在吊臂的两个侧板上有规律地开孔。
　　4.改进方案的可行性分析。利用ANSYS软件改进吊臂的模型，并进行静力学分析。通过改进前后吊臂的刚度、强度和体积的对比，结果表明:改进后吊臂的重量有大幅度减轻，但其强度和刚度都没有发生明显的变化，均在安全范围内。证明了改进方案的可行性。
　　本文对于直臂式甲板起重机底座和吊臂的研究结果，若能成功应用到实际生产中，将能够大幅度提高起重机的整机性能，并可以在不影响起重机工作能力的前提下，减少材料使用量，为企业节约成本，为国家节省资源。本文的研究内容具有很深的实用价值和社会意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 甲板起重机发展概况

1．1．1 甲板起重机发展现状

1．1．2 甲板起重机类型

1．2 甲板起重机底座和吊臂的研究现状

1．3 结构优化技术基础理论

1．3．1 结构优化设计概述

1．3．2 结构优化设计国内外研究现状

1．3．3 形状优化和尺寸优化概述

1．3．4 拓扑优化的基本理论

1．4 课题研究背景和意义

1．5 主要工作内容

第二章 直臂式甲板起重机底座和吊臂的解析法计算和校核

2．1 起重机主要技术参数及其选择

2．2 起重机工作级别

2．2．1 起重机利用等级

2．2．2 起重机载荷状态

2．3 主要计算载荷及其组合

2．3．1 自重载荷

2．3．2 起升载荷

2．3．3 惯性载荷

2．3．4 风载荷

2．3．5 计算载荷的组合

2．4 5t20m甲板起重机的技术参数

2．5 底座强度的解析法校核

2．5．1 底座强度计算

2．5．2 强度校核

2．6 吊臂强度的解析法校核

2．6．1 吊臂强度校核

2．6．2 吊臂稳定性计算

2．7 本章小结

第三章 直臂式起重机底座和吊臂的有限元分析

3．1 有限元法简介

3．1．1 有限元法基本理论

3．1．2 有限元分析在工程设计过程中的应用

3．2 ANSYS软件简介

3．3 底座的有限元分析

3．3．1 参数化建模

3．3．2 选择单元类型和划分网格

3．3．3 边界条件

3．3．4 结果分析

3．4 吊臂的有限元分析

3．4．1 有限元模型建立

3．4．2 边界条件

3．4．3 结果分析

3．5 本章小结

第四章 底座开孔分析及其形状优化

4．1 基于ANSYS的优化设计

4．2 人孔位置的优化

4．2．1 底座开孔前后对比

4．2．2 人孔位置分析

4．3 底座结构优化及轻量化分析

4．3．1 结构优化设计的数学模型

4．3．2 基本参数定义

4．3．3 确定优化方法

4．3．4 优化结果分析

4．4 本章小结

第五章 吊臂的拓扑优化分析

5．1 基于ANSYS的拓扑优化

5．2 优化准则算法的数学模型

5．3 箱型吊臂的拓扑优化

5．3．1 拓扑优化前处理

5．3．2 拓扑优化结果处理

5．3．3 拓扑优化结果修复

5．4 侧板开孔的可行性验证

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文与专利

参与课题与所获奖项