大长细比臂架塔机刚柔耦合动力学研究

摘要

目前大多数塔式起重机（简称塔机）动力学建模的研究方法是将整机等效为多刚体系统，以建立5自由度的刚体动力学模型作为系统动力学控制的基础。这一等效处理忽略了塔机柔性构件对系统动力学响应的影响，尤其是导致臂架、塔身等大长细比柔性构件的柔性变形在这一动力学方程中的效应难以体现。随着塔机运行速度的提升和对重物移动位置精确性要求的提高，在研究臂架柔性变形、重物摆动规律以及开发塔机操作培训模拟器等相关研究方面，都需要建立更精确的动力学模型。本文针对小车变幅式塔机，在综合考虑臂架的柔性变形和系统大范围刚体运动的影响下，对大长细比臂架塔机的刚柔耦合动力学模型进行了研究。论文主要工作如下:
　　(1)将臂架等效为Euler-Bernoulli梁，臂架拉杆等效为线性弹簧，考虑臂架的自重和结构阻尼，应用拉格朗日方程建立了能够完整描述塔机变幅、回转和起升运动的、系统大范围刚体运动规律已知的刚柔耦合动力学模型，并应用假设模态法对上述动力学方程进行了离散，得到了矩阵形式的动力学模型;
　　(2)针对塔机三种典型的运动形式，应用Maple数学软件对模型进行了数值求解，并分析了传统的塔机重物摆动动力学模型和计及臂架竖直平面内弯曲变形的重物摆动动力学模型的区别;
　　(3)建立了ADAMS动力学仿真模型，针对具体算例，对比研究了分别由数值求解和仿真得到的臂架端点竖直平面内弯曲变形的响应及重物的运动响应，并对造成响应差异的原因进行了分析;
　　(4)设计了同时考虑臂架竖直平面内和水平面内的弯曲变形的数值计算算例，研究了等效参数对系统动力学响应的影响，验证了模型的合理性。
　　研究结果表明，本文提出的动力学模型可以较准确地反映臂架柔性变形对系统动力学响应的影响，对研究大长细比臂架塔机的动力学特性具有重要意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的工程背景和意义

1．1．1 塔式起重机简介

1．1．2 工程背景和意义

1．2 塔机动力学研究现状

1．3 课题的研究内容和实施方案

2 塔机刚柔耦合动力学建模

2．1 塔机动力学系统简介

2．2 柔性多体系统坐标系选择

2．2．1 混合坐标方法

2．2．2 绝对节点坐标方法

2．3 柔性梁的变形描述

2．4 运动学描述

2．4．1 变量定义

2．4．2 构件坐标与速度

2．5 动力学方程推导及其离散

2．5．1 系统能量方程推导

2．5．2 方程离散

2．5．3 考虑结构阻尼的离散方程

2．6 本章小结

3 Maple数值计算

3．1 计算过程简介与计算参数

3．2 计算结果分析

3．3 本章小结

4 ADAMS仿真对比验证

4．1 仿真对比流程

4．2 塔机ADAMS动力学模型建立

4．2．1 塔机有限元建模与分析

4．2．2 动力学仿真模型建立

4．2．3 等效弹簧刚度计算

4．3 仿真与数值计算对比算例

4．3．1 算例一

4．3．2 算例二

4．3．3 算例三

4．4 本章小结

5 等效参数对系统动力学响应的影响分析

5．1 等效惯性矩的影响

5．2 等效弹簧刚度的影响

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢