桥门式起重机蒙皮式主梁结构性能分析

摘要

目前，桥门式起重机是使用量最大的起重设备，对其实现轻量化设计非常有必要。常规箱形结构门式起重机的优化设计通常以主梁、支腿及上下横梁截面尺寸为优化设计变量。目前的研究文献中尽管选用了各种各样的优化方法，但受其结构形式所限，各种优化方法中结构自重的减轻不会有太大的突破。本文借鉴飞机机翼及钢结构建筑蒙皮效应，提出一种新型门式起重机结构，探讨从结构上对其实现轻量化设计。
　　本文以某额定起重量50t、跨度26m的带悬臂门式起重机为例，主梁采用蒙皮结构，支腿、上横梁及下横梁采用常规板式结构，利用有限元软件ANSYS对其进行分析及优化。其中，板结构采用ANSYS中的板壳单元shell63模拟，桁架结构采用梁单元beam4模拟，起重小车、吊重等集中质量用质量单元mass21模拟。新型蒙皮主梁结构主要采用薄壁箱形结构和桁架结构相结合的方式连接。在ANSYS中建立蒙皮结构主梁门式起重机和普通箱形结构门式起重机模型。通过有限元分析结果，探讨两种模型在强度、刚度等静态性能方面的优劣并得出新型结构的可行性。相对普通箱形梁整机结构，蒙皮结构箱形梁整机结构的自重减少了11.3％节省钢材约6.4t。
　　对蒙皮结构主梁起重机进行静态和动态分析，首先计算门机在各个工况下的强度和刚度，然后再进行模态分析和谐响应分析，提取关键频率值，蒙皮结构门机系统在垂直方向的固有频率为3.978Hz，在推荐值2Hz～4Hz内，动态刚度满足要求。最后分析蒙皮厚度、弦杆长细比和腹杆体系对结构的影响，从而为蒙皮结构的合理设计提供依据。根据计算分析结果，建议当载荷为20t以下时采用无竖杆结构形式，当载荷为20t到50t时，采用带竖杆形式，当载荷为50t以上时采用带竖杆及次竖杆形式。
　　灵敏度分析通过ANSYS软件来实现，此过程即可确定对优化目标影响比较大的几何参数，并将他们选取为设计变量，以结构的质量为目标函数进行优化设计，将优化后的方案与优化前进行分析对比，优化后结构质量比原蒙皮式主梁设计结构减轻了12.06t，减少钢材达18.37％，实现了轻量化设计，降低了制造成本。
　　对优化后的结构进行特征值屈曲分析，选取主梁跨中腹板区格建立有限元模型进行屈曲分析，得出屈曲放大系数，取一阶屈曲载荷放大系数，则该情况下蒙皮薄板失稳的临界载荷为104.8MPa，同时分析了影响主梁蒙皮薄板屈曲载荷的因素。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 蒙皮结构研究发展现状

1．1．1 蒙皮结构国外发展现状

1．1．2 蒙皮结构国内发展现状

1．2 蒙皮效应

1．3 本论文研究的意义及背景

1．4 起重机金属结构设计方法

1．4．1 有限元方法

1．4．2 优化设计

1．4．3 稳定性分析

1．5 论文主要研究的内容

1．6 本章小结

第2章 门式起重机主梁蒙皮结构的设计

2．1 有限元法基本理论

2．1．1 有限元法的基本思想

2．1．2 有限单元法的基本分析过程

2．2 有限元分析软件ANSYS简介

2．2．1 ANSYS软件程序架构

2．2．2 ANSYS软件的组成

2．2．3 参数化设计语言APDL简介

2．3 门式起重机基本参数

2．4 门式起重机主梁蒙皮结构的设计

2．4．1 门式起重机主梁蒙皮面的生成

2．4．2 门式起重机主梁蒙皮结构的几何模型

2．4．3 门式起重机主梁蒙皮结构的参数设计

2．5 传统结构与蒙皮结构主梁起重机有限元分析

2．5．1 建立门机有限元模型

2．5．2 有限元计算结果

2．5．3 自重比较

2．6 本章小结

第3章 蒙皮结构主梁起重机结构力学性能分析

3．1 门式起重机蒙皮结构静态分析

3．1．1 载荷组合

3．1．2 有限元计算结果

3．2 门式起重机蒙皮结构系统模态分析

3．2．1 模态分析概述

3．2．2 模态分析过程及方法

3．2．3 模态分析结果

3．3 门式起重机蒙皮结构系统谐响应分析

3．3．1 谐响应分析简介

3．3．2 谐响应分析结果

3．4 门式起重机蒙皮结构系统参数分析

3．4．1 蒙皮板厚度对结构的影响

3．4．2 桁架杆件长细比对结构的影响

3．4．3 桁架的腹杆体系对结构的影响

3．5 本章小结

第4章 蒙皮式门式起重机结构系统动态优化设计

4．1 ANSYS优化设计

4．2 动态优化设计

4．2．1 动态优化设计基本内容

4．2．2 动态优化设计建模方法

4．2．3 动态优化设计的数学模型

4．3 灵敏度分析

4．4 蒙皮式门式起重机结构系统动态优化设计

4．4．1 结构系统动态优化设计数学模型

4．4．2 结构系统动态优化设计结果分析

4．5 主梁蒙皮板屈曲分析

4．5．1 薄板稳定理论

4．5．2 主梁蒙皮板弹性屈曲分析有限元模型

4．5．3 主梁蒙皮板弹性屈曲结果分析

4．5．4 主梁蒙皮板屈曲稳定因素探讨

4．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果