动臂式塔式起重机结构系统动态特性研究

摘要

我国城市化建设进程发展迅速，密集建筑楼群不断涌现，动臂式塔机在建筑施工中发挥着重要的作用。随着动臂式塔机向大起升高度和大起重量方向的不断发展，在满足结构静态强度、刚度及稳定性要求的同时，对塔机结构进行动态特性研究具有重要的现实意义。论文以JCD260动臂式塔机为研究对象，建立了塔机结构系统参数化有限元模型，对其静态性能和在脉动风载荷作用下的动态响应进行了分析，研究了结构系统的动态特性并进行了动态优化设计。
　　利用ANSYS软件对动臂式塔机进行静刚度、强度和稳定性计算，结果表明塔机静刚度、各构件的强度和受压杆件的稳定性均满足设计要求。
　　基于动态响应分析法对动臂式塔机进行风振特性研究。运用AR模型法并采用Davenport脉动风速谱在MATLAB软件中模拟了塔机脉动风速时程，结果显示脉动风速时程的模拟功率谱与目标功率谱吻合较好，表明模拟的脉动风速合理有效。运用ANSYS软件对动臂式塔机结构进行模态分析，得到结构前八阶固有频率和振型。采用瞬态动力学分析方法对动臂式塔机在脉动风载荷作用下的动态响应进行研究，与静态分析结果对比表明，考虑风载荷的脉动效应后，结构沿风向的振幅明显增大，计算结果偏于不安全;脉动风载荷在初始时刻作用在塔机结构上相当于偶然冲击载荷，结构会产生较大应力响应，在塔身根部主肢和起重臂第四、第五节臂架连接处出现了瞬时异常高的应力值，结构可能发生失稳破坏。因此，在塔机结构抗风设计过程中需要考虑风载荷的脉动效应且有必要进行动态优化。
　　采用ANSYS软件对动臂式塔机结构进行谐响应分析，发现塔机结构的第二阶固有频率对其动态性能影响最大;确定物品突然离地起升工况为结构动态计算工况，对塔机结构进行动力响应分析，发现结构动位移响应的最大幅值较大，结构各部件均有较大幅度的振动。为使动臂式塔机结构系统具有良好的静、动态性能和较轻的重量，将结构自重W和第2阶模态频率f2作为动态优化的目标，将结构动应力、动位移作为动态优化的状态变量。利用ISIGHT软件中的试验设计方法对动臂式塔机结构系统进行灵敏度分析，确定了动态优化的主要设计变量。为提升动态优化的速度，构建了响应面近似模型，其误差在可控范围之内，可用来替代塔机的有限元模型。最后，采用多目标优化算法NSGA-Ⅱ算法进行动臂式塔机结构系统的动态优化设计，优化后的结果表明结构系统自重减轻，静、动态性能得到提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 动臂式塔机的发展现状

1．3 结构风振特性的研究现状

1．4 结构动态优化设计的研究现状

1．5 论文研究的主要内容

第2章 动臂式塔机结构系统力学性能分析

2．1 塔机结构系统基本参数

2．1．1 基本参数

2．1．2 结构材料

2．1．3 计算工况

2．1．4 计算载荷

2．2 塔机结构有限元模型

2．2．1 模型简化

2．2．2 单元类型

2．2．3 有限元模型

2．3 塔机结构系统力学性能分析

2．3．1 静刚度计算

2．3．2 静强度计算

2．3．3 稳定性计算

2．4 本章小结

第3章 动臂式塔机结构风速时程模拟

3．1 风的基本特征

3．1．1 基本风速

3．1．2 基本风压

3．2 平均风特征

3．2．1 风载荷体型系数

3．2．2 风压高度变化系数

3．3 脉动风特征

3．3．1 脉动风速功率谱

3．3．2 脉动风的紊流特性

3．3．3 脉动风的空间相关性

3．4 脉动风速时程模拟

3．4．1 脉动风速时程AR模型

3．4．2 生成脉动风速时程

3．4．3 脉动风速时程模拟

3．5 本章小结

第4章 动臂式塔机结构风致响应分析

4．1 动臂式塔机结构的静风响应分析

4．1．1 静风载荷的计算方法

4．1．2 静风响应分析

4．2 动臂式塔机结构的脉动风响应分析

4．2．1 瞬态动力学分析

4．2．2 模态分析

4．2．3 脉动风载荷响应分析

4．3 本章小结

第5章 动臂式塔机结构系统动态优化设计

5．1 动态优化设计介绍

5．1．1 动态优化设计的内容

5．1．2 动态优化设计的建模方法

5．1．3 动态优化设计的数学模型

5．2 动臂式塔机结构动态特性分析

5．2．1 塔机结构谐响应分析

5．2．2 确定塔机动态计算工况

5．2．3 塔机结构动力响应分析

5．3 动臂式塔机结构系统灵敏度分析

5．3．1 灵敏度分析理论

5．3．2 试验设计方法

5．3．3 动臂式塔机结构系统灵敏度分析

5．4 动臂式塔机结构系统动态优化设计

5．4．1 动态优化设计数学模型

5．4．2 构建近似模型

5．4．3 动态优化设计结果分析

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及科研成果