起重机转台与车架结构拓扑优化

摘要

合理的转台结构优化设计，使其材料能够具有最大的使用效率，不仅能够减轻转台重量，还能为转台的工程设计提供参考。通常情况下，履带起重机需要能够满足不同作业工况的要求，与之对应，起重机转台也需满足多种作业工况的需求。然而对转台的每种作业工况均进行分析，不仅工况繁多，同时不利于提高优化效率。本文以750吨级履带起重机转台为研究对象，通过对转台受力情况分析，确定其危险工况，将范围缩减为三种危险工况下的优化。然后根据变密度方法完成转台结构的拓扑优化，随之提出转台的改进方案并完成校核。同时，由于关于结构拓扑优化的研究中对平面问题的探讨比较多，空间结构的拓扑优化研究较为困难，本文在对转台的平面拓扑优化问题研究的基础之上，完成对车架空间筋板布局的研究并对优化后的结构进行校核，使拓扑优化的应用更为广泛。论文的主要研究工作与研究成果如下:
　　(1)分析转台的受力特征，根据转台在不同作业工况下的受力情况，判断出转台的危险工况;在危险工况下利用有限元分析软件ANSYS对转台进行有限元静力学分析，获取应力分布，据此选取拓扑优化区域。
　　(2)根据变密度方法，利用SIMP插值模型建立拓扑优化分析的数学模型，确定优化参数，完成转台的单工况拓扑优化分析，并对结果进行分析;基于SIMP变密度拓扑优化思想，采用加权求和建立转台静态多工况拓扑优化数学模型;并根据转台的强度与刚度，采用归一化方法获取权重因子，通过对比分析，选取较为合理的权重进行多工况拓扑优化分析。
　　(3)根据多目标工况拓扑优化结果，提出一种新的转台结构，完成转台结构的改进设计。同时对改进后的转台结构进行校核分析，在保证转台力学性能的前提下，转台的重量减轻7％，实现轻量化，达到优化目的，为转台的优化设计提供指导意义。
　　(4)分析车架的受力情况，并针对车架的筋板结构，建立优化模型;根据车架实际受力情况，完成车架的多工况拓扑优化，实现空间筋板布局的优化。优化之后内部筋板重量减轻39.7％，车架总质量减轻6.2％，达到将拓扑优化由二维平面转向空间的应用，同时对优化后的结构进行校核验证分析。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 国内外结构拓扑优化技术研究综述

1．2 课题的来源

1．3 本文的主要研究内容

2 起重机转台与车架结构概述及其受力特征

2．1 引言

2．2 履带起重机转台与车架结构概述

2．2．1 履带起重机简介

2．2．2 起重机转台结构的基本组成

2．2．3 起重机车架结构的基本组成

2．2．4 起重机转台与车架受力特性

2．3 起重机转台与车架拓扑优化总体思路

2．4 本章小结

3 ANSYS拓扑优化与变密度插值模型

3．1 引言

3．2 ANSYS拓扑优化简介与基本过程

3．2．1 ANSYS拓扑优化简介

3．2．2 ANSYS拓扑优化基本过程

3．3 基于变密度法的连续体结构拓扑优化

3．3 基于变密度法的连续体结构拓扑优化

3．3．1 变密度法插值模型

3．3．2 单工况下静力学分析拓扑优化数学模型

3．3．3 基于变密度法的拓扑优化准则算法与流程图

3．4 本章小结

4 转台的静力学分析与单工况下的拓扑优化

4．1 引言

4．2 转台结构的有限元建模

4．2．1 转台结构的模型简化与材料参数选择

4．2．2 转台结构有限元模型单元选择与网格的划分

4．2．3 转台加载分析与边界条件

4．3 转台有限元静力学分析

4．3．1 转台结构强度分析

4．3．2 转台结构刚度分析

4．4 转台单工况拓扑优化分析

4．4．1 转台优化参数设置

4．4．2 转台结构的拓扑优化

4．5 本章小结

5 基于ANSYS的转台结构多工况拓扑优化以及转台结构改进

5．1 引言

5．2 多目标工况数学模型建立

5．2．1 多工况优化介绍

5．2．2 多目标工况优化数学模型建立

5．2．3 多目标工况优化问题求解

5．3 转台结构的改进

5．4 本章小结

6 基于ANSYS的车架结构拓扑优化以及结构改进

6．1 引言

6．2 车架受力分析与有限元模型建模

6．2．1 车架分析工况选取

6．2．2 车架结构有限元建模与边界条件

6．3 车架多工况拓扑优化

6．3．1 车架参数设置与优化区域的选择

6．3．2 车架多工况拓扑优化

6．4 车架结构改进

6．5 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