椭圆伸缩吊臂动态特性研究与轻量化设计

摘要

当前，铁路起重机已经成为保证铁路畅通不可或缺的重要装备，作为铁路起重机的主要承载构件，伸缩吊臂的设计合理与否对起重机的承载能力、整机实用性和安全可靠性有很大影响。同时，随着铁路起重机大型化、高速化，伸缩吊臂的动态特性越来越不容忽视。
　　本文以铁路救援起重机三节伸缩吊臂为研究对象，探析了椭圆形伸缩吊臂动态特性，并对其结构轻量化技术进行了研究。主要内容如下:
　　(1)基于Ansysworkbench协同仿真平台，完成了新型椭圆形截面伸缩吊臂的参数化建模、有限元分析。采用目标驱动优化模块对椭圆形截面伸缩吊臂进行轻量化设计。研究了各输入与输出参数的相关性、灵敏度。优化后的伸缩吊臂自重降低了27.97％，轻量化设计效果显著。
　　(2)为研究伸缩吊臂在吊重被突然提升离地、吊重悬空静止时开始起升、吊重匀速上升时制动三种工况的真实动态特性，引入了钢丝绳阻尼系数，建立了运动微分方程，推导出相应工况的动态载荷的理论计算公式，得出了载荷时程曲线。
　　(3)采用模态分析得出椭圆形截面伸缩吊臂前六阶模态振型与固有频率。谐响应分析对各振型与频率进行筛选，得出:变幅平面内频率2.8Hz与16.4Hz，回转平面内频率2.2Hz与12.5Hz为所在平面的共振频率，并用具体数据对比说明:变幅平面第二阶固有频率为椭圆形截面伸缩吊臂最易发生共振的频率。
　　(4)给出了伸缩吊臂瞬态动力学的常用求解方法。研究了载荷频率与伸缩吊臂固有频率比值对椭圆形截面伸缩吊臂最大应力的影响，得出了关系曲线图。曲线表明频率比在0.6～1.4之间，伸缩吊臂应力变化非常大，比值为1时达到峰值。对比了共振与非共振情况下椭圆形截面伸缩吊臂振动情况。结果表明:在共振区间，即使载荷振幅衰减较快，椭圆形截面伸缩吊臂振幅同样会急速攀升，最大应力很容易超过材料的屈服极限。
　　(5)采用了指数衰减函数模拟伸缩吊臂卸载过程。研究了卸载时间与伸缩吊臂卸载后由于振动产生的最大应力之间的关系。并对不同卸载时间的振动曲线进行了分析。结果表明:卸载时间小于0.1s时，最大应力将大于椭圆形截面伸缩吊臂静态分析中的最大应力值，这可能超过椭圆形截面伸缩吊臂许用应力值，给伸缩吊臂带来破坏。在0～0.4s之间，应力下降非常迅速，之后趋于平缓。因此，应尽可能的延长卸载时间，减小振动。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 工程机械发展现状与美好前景

1．1．2 选题背景及工程意义

1．2 伸缩吊臂截面型式

1．3 静态优化设计技术与伸缩吊臂优化研究现状

1．3．1 静态优化设计技术

1．3．2 伸缩吊臂优化研究现状

1．4 结构动力学分析技术与伸缩吊臂动力学研究现状

1．4．1 结构动力学分析技术

1．4．2 伸缩吊臂动力学研究现状

1．5 论文研究的主要内容

第2章 椭圆形伸缩吊臂轻量化设计

2．1 Ansys workbench简介

2．2 椭圆形截面

2．3 参数化几何建模

2．4 椭圆形截面伸缩吊臂有限元分析

2．4．1 材料选择

2．4．2 网格划分

2．4．3 边界条件

2．4．4 载荷计算

2．4．5 求解及后处理

2．5 椭圆形截面伸缩吊臂轻量化设计

2．5．1 优化数学模型

2．5．2 样本设计

2．5．3 响应面设计

2．5．4 参数相关性分析

2．5．5 优化及结果分析

2．6 本章小结

第3章 伸缩吊臂的动载荷计算

3．1 工况一：吊重悬空静止时开始起升

3．2 工况二：吊重被突然提升离地

3．3 工况三：吊重匀速上升时制动

3．4 工况四：吊重卸载

3．5 本章小结

第4章 椭圆形截面伸缩吊臂动力学特性分析

4．1 椭圆形截面伸缩吊臂模态分析

4．1．1 模态分析理论

4．1．2 常见模态分析方法

4．1．3 基于Ansys workbench的椭圆形截面伸缩吊臂模态分析

4．2 椭圆形截面伸缩吊臂谐响应分析

4．2．1 谐响应分析理论

4．2．2 基于Ansys workbench的椭圆形截面伸缩吊臂谐响应分析

4．3 本章小结

第5章 瞬态动力学响应分析

5．1 瞬态动力学分析理论

5．2 瞬态动力学数值算法

5．2．1 Rayleigh-Ritz分析法

5．2．2 子空间迭代法

5．2．3 Lanczos法

5．3 相关参数设置

5．3．1 积分步长的合理选取

5．3．2 阻尼的合理选取

5．4 工况二下椭圆形截面伸缩吊臂瞬态动力学分析

5．4．1 载荷选取

5．4．2 结果分析

5．5 工况四下椭圆形截面伸缩吊臂瞬态动力学分析

5．5．1 载荷选取

5．5．2 结果分析

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果